刀具結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)學(xué)分析
按照系統(tǒng)學(xué)的觀點(diǎn)，我們可以把具有某種功能的產(chǎn)品如刀具看成一個(gè)系統(tǒng)，通過對(duì)系統(tǒng)的分析，把系統(tǒng)的總功能分解成若干個(gè)子功能，而用以完成這些子功能的要素就是該系統(tǒng)的子系統(tǒng)。如果其中某些子系統(tǒng)可與其他系統(tǒng)中的另一些子系統(tǒng)在功能上通用、互換，又具有一致的介面，這些子系統(tǒng)便可以從母系統(tǒng)中分離出來，形成一個(gè)個(gè)通用的子系統(tǒng)即模組，這就是分解。為了滿足不用的使用要求，我們?cè)谀＝M體系中選擇若干模組并按照新的產(chǎn)品系統(tǒng)要求結(jié)合起來，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)具有新功能的產(chǎn)品系統(tǒng)，這就是組合。例如，我們?cè)谀耻嚧采鲜褂靡坏毒呦到y(tǒng)，其裝上鉆頭作為切削模組，用鉆夾頭作為鏈接切削模組與環(huán)境（機(jī)床）的橋梁─主柄模組，就形成了鉆削系統(tǒng)；而如果把切削模組換為絲錐，她成了攻絲系統(tǒng)。對(duì)于鉆削系統(tǒng)，由鉆夾頭和直柄鉆頭組成的系統(tǒng)在使用功能上與錐柄麻花鉆等效。
按照系統(tǒng)學(xué)的觀點(diǎn)，模組也可以分為要素模組和非要素模組。要素模組（或稱主體模組）是指形成產(chǎn)品主體功能的模組，這類模組的功能在模組體系中處于支配地位，是必不可少的。從模組式工具系統(tǒng)看，一般來說主柄模組（諸如自動(dòng)換刀工具錐柄模組、帶冷卻環(huán)自動(dòng)換刀工具錐柄模組等）和工作模組（如面銑刀、立銑刀、槽銑刀、鉆頭、絲錐等）是要素模組，而中間模組（如等徑過渡模組、變徑過渡模組、彈簧夾頭模組；裝鉆夾頭模組等）則屬于非要素模組。雖然可轉(zhuǎn)位刀片對(duì)于可轉(zhuǎn)位立銑刀、可轉(zhuǎn)位面銑刀等產(chǎn)品來說具有獨(dú)立功能，但從整個(gè)工具系統(tǒng)來說功能并不獨(dú)立，因此我們?cè)诮M合工具系統(tǒng)產(chǎn)品時(shí)不能將可轉(zhuǎn)位刀片稱為模組。
 
在刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，我們大致應(yīng)安排如下步驟：
分析加工對(duì)象
分析加工對(duì)像是刀具設(shè)計(jì)的先導(dǎo)性工作。一個(gè)合適的刀具，應(yīng)該是針對(duì)特定的加工任務(wù)而進(jìn)行的，而對(duì)加工任務(wù)進(jìn)行分析，無疑是設(shè)計(jì)出符合加工任務(wù)需要的刀具的一個(gè)前提條件。
我們首先應(yīng)明確所設(shè)計(jì)刀具的應(yīng)用范圍。一般而言，應(yīng)用范圍較小的刀具針對(duì)性較強(qiáng)，在所針對(duì)的范圍中的使用效果較好，但針對(duì)面小會(huì)導(dǎo)致銷量相對(duì)較小，可能使該刀具的制造成本較高；而應(yīng)用范圍較大的刀具則正好相反，他們的銷量較大，制造成本相對(duì)較低，然而他們可能雖然能在許多場合中正常使用，但可能在每一個(gè)特定的場合的應(yīng)用都不是非常理想。這就需要設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)前明確自己的設(shè)計(jì)目標(biāo)，除只針對(duì)特定加工任務(wù)的定制刀具之外，在應(yīng)用范圍和制造成本方面取得一個(gè)平衡點(diǎn)。
我們所說的加工范圍分析，大致應(yīng)包括加工方式分析、加工工件材料分析、應(yīng)用場所分析等。
所謂加工方式分析，包括車削、銑削、鉆削或者鏜削等基本加工方式。
因?yàn)檐囅鞯那邢魅泄ぷ鲿r(shí)，通常為連續(xù)切削。這種切削方式的切削力是持續(xù)的，切削熱會(huì)持續(xù)不斷地發(fā)生，那么對(duì)車削刀具的切削刃材料的耐熱性要求比較高，這將成為我們選擇塑性材料工件的車刀材料尤其是粗車刀具材料的一個(gè)重要方面；而銑削的切削刃工作時(shí)則通常為斷續(xù)切削，這種切削方式是周期性的切削力沖擊載荷，切削熱也會(huì)對(duì)刀刃形成熱沖擊，那么對(duì)銑削刀具的切削刃材料的耐沖擊性能要求比較高，而這個(gè)耐沖擊性能包含了耐力沖擊和耐熱沖擊兩個(gè)主要方面；而鉆削的切削刃工作時(shí)，通常既是連續(xù)切削，排屑和散熱的空間也極其有限，還要考慮從鉆頭外緣至鉆頭中心的切削速度急劇變化，對(duì)鉆削刀具的切削刃材料的要求就會(huì)非常復(fù)雜（而鉆頭的結(jié)構(gòu)對(duì)于排屑和散熱也有很大影響）。
這些加工方式的不同使不同的刀具在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上也會(huì)有很多不同。如銑刀大部分是多刃刀具，它同車刀大部分是單刃刀具不同，應(yīng)該考慮在結(jié)構(gòu)上如何保證刀具各切削刃在端面或圓周方向上刃口位置的一致性。因此，在工藝難以保證切削刃一致性而刀具切削刃材料對(duì)這種一致性有較高要求時(shí)，就應(yīng)該考慮增加切削刃位置調(diào)整的機(jī)構(gòu)。又如鉆頭是一個(gè)設(shè)計(jì)上比較困難的刀具，因?yàn)樗募庸し绞酵ǔ＜纫笏休^大的排屑空間以提供高效率鉆孔的排屑需求，又要求它有較大的刀體截面尺寸以保證在高效率鉆孔時(shí)它能承受較大的切削力和切削扭矩，而鉆頭的刀具實(shí)體徑向截面與排屑空間截面之和又恒等于孔的截面積，這種矛盾的平衡會(huì)對(duì)刀具設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)把握形成嚴(yán)峻考驗(yàn)。
所謂加工工件材料分析，是指了解被加工工件材料的特性，如切削力的大小、切削熱的大小、工件材料隨切削溫度和切削力的變化而產(chǎn)生的影響加工性能或最終零件性能的變化等等。
例如在切削力方面，切削一般鋁合金的切削力大約是同等條件下切削鋼件的1/3，因此我們?cè)谠O(shè)計(jì)鋁合金專用銑刀或?qū)Ｓ勉@頭時(shí)可以在刀具材料不變的條件下減少刀體的受力面積，以騰出更大的空間用以排屑。而在設(shè)計(jì)加工硬材料的專用銑刀時(shí)，我們則需要反其道而行之，減小容屑槽深度和排屑空間，增加刀具的芯部，以承受更大的切削力而保證刀具的變形依然在我們可接受的范圍之內(nèi)。
又如在切削熱方面，鈦合金、鎳基合金切削加工時(shí)不但會(huì)產(chǎn)生很高的切削熱，而這些工件材料的散熱性能很不理想，大量的切削熱常常不能被切屑帶走而是傳導(dǎo)至刀具上，致使刀具的溫升增加，硬度下降。如何降低切削鈦合金、鎳基合金的切削熱并盡可能隔絕切削熱向刀具的傳遞成為此類刀具設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要考慮。
山特維克可樂滿和山高刀具在此類車刀方面、肯納金屬在此類銑刀方面都有使用改變切削液供應(yīng)方式的改進(jìn)，對(duì)此類材料刀具的設(shè)計(jì)提供了很好的范例。
所謂應(yīng)用場所分析，是指對(duì)于該刀具具體的應(yīng)用場合進(jìn)行分析，研究這些應(yīng)用場合中刀具面臨的主要問題，從而選擇使用某種刀具結(jié)構(gòu)或改進(jìn)現(xiàn)有的刀具結(jié)構(gòu)以符合該應(yīng)用場合的特殊需要。
例如，我們?cè)趧傂暂^差的平面銑削中可以使用軸向大前角設(shè)計(jì)，因?yàn)橥ǔ４蟮那敖强梢杂行У亟档颓邢髁颓邢鞴β剩谙嗤牡镀x擇時(shí)，其向下斜坡銑削的角度就會(huì)受到更多限制，因?yàn)榈毒叩暮铣奢S向后角將減少。如果選擇刀片的后角更大，固然能夠得到較強(qiáng)的向下斜坡銑能力，但刀片的楔角一定會(huì)減少而降低刀尖的強(qiáng)度和散熱能力。因此，我們要根據(jù)我們所針對(duì)的應(yīng)用場合，在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)其進(jìn)行合理的取舍。如在針對(duì)型腔加工的應(yīng)用場合優(yōu)先選用大的向下斜坡銑能力；對(duì)于機(jī)床小功率、工藝系統(tǒng)低剛性的應(yīng)用場合優(yōu)先選用大的軸向前角；而對(duì)于工件材料強(qiáng)度較低的如鋁合金加工的應(yīng)用場合則優(yōu)先選用小楔角的刀片以便兼顧向下斜坡銑能力和低的切削力。
 
套式刀具與機(jī)床主軸的三種連接方式
其次我們需要分析加工的各種工藝要求，如加工精度的要求、形狀及位置誤差的要求、表面粗糙度的要求、表面殘余應(yīng)力的要求等。
對(duì)于加工精度的要求，我們需要針對(duì)具體的加工條件考慮刀具結(jié)構(gòu)。例如，在切削力較大時(shí)需要考慮刀片位置是否會(huì)產(chǎn)生超出我們可接受范圍的移動(dòng)，刀具各部分的鎖緊是否可靠等等。山高刀具的MDT車刀底部的鋸齒形，在刀片鎖緊時(shí)應(yīng)該只有兩個(gè)齒接觸受力，而隨著軸向切削力的增加，剛性相對(duì)較弱的刀體部分產(chǎn)生變形，接觸的鋸齒數(shù)就隨之增加。這種結(jié)構(gòu)就比較容易在大的切削力下保持較好的受力，當(dāng)然它的制造難度也會(huì)相對(duì)提高。
在精密鏜削時(shí)，由于鏜孔尺寸精度幾乎主要由鏜刀尺寸和鏜刀的變形決定，鏜刀調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)會(huì)成為鏜刀設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面，而懸伸較大時(shí)鏜刀的變形控制也是鏜刀設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面。因此在精密鏜刀上除了通常用行程損失換取精度提高之外，導(dǎo)條支撐也成為一個(gè)流行的結(jié)構(gòu)選擇。
對(duì)于形狀及位置誤差的要求，刀具結(jié)構(gòu)上能夠影響的相對(duì)不是很多，它主要由機(jī)床的精度決定。但刀具對(duì)此類要求也并非無所事事。復(fù)合刀具常常是保證相對(duì)形狀位置的手段之一。以建鋒公司的復(fù)合刀具為案例。這把刀具將一個(gè)外圓面加工、兩個(gè)內(nèi)圓面加工以及兩個(gè)平面加工共5個(gè)表面的加工復(fù)合到同一把刀具上，其各個(gè)表面之間的相互位置就得到了很好的保證，加工效率也隨之提高。
對(duì)于表面粗糙度的要求，一般對(duì)較高的表面粗糙度等級(jí)（即較小的表面粗糙度數(shù)值）應(yīng)主要考慮修光刃?，F(xiàn)在無論車削、銑削、鉆削都可以使用修光刃技術(shù)來提高工件加工中有可能達(dá)到的表面粗糙度等級(jí)，但我們?cè)诮Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)該考慮因使用修光刃所可能帶來的切削力方面的變化。
分析選擇可能的接口
我們還需要分析和選擇合適的刀具接口。
對(duì)于大尺寸的回轉(zhuǎn)刀具，我們一般可考慮直接連接機(jī)床的形式、套式和模塊式工具系統(tǒng)三種主要方式。上圖顯示了在選擇與機(jī)床的連接采用整體式或模塊式的判定流程。
就與機(jī)床連接的整體或模塊的系統(tǒng)而言，各自的主要特點(diǎn)如下：
 
(a) 圓柱柄
 
(b) 削平型圓柱柄
 
(c) 斜削平型圓柱柄
 
三種小型的回轉(zhuǎn)刀具主柄結(jié)構(gòu)
（1）模塊式刀柄
?刀柄長度的改變?nèi)菀?br style="margin: 0px; padding: 0px; color: rgb(68, 68, 68); font-family: "Microsoft YaHei"; font-size: 12px; white-space: normal; background-color: rgb(255, 255, 255);"/>?在不同的主柄接口機(jī)床上互換使用刀具方便
?絕大部分?jǐn)U孔刀具和鏜刀都是采用模塊式主柄
（2）整體式刀柄
?剛性好
?平衡性能好
?單個(gè)價(jià)格低
而套式刀具與機(jī)床主軸也有三種連接方式。
對(duì)于小尺寸的回轉(zhuǎn)刀具，我們一般也可考慮三種主要方式：
?圓柱柄
?削平型圓柱柄
?斜削平型圓柱柄
在這三種刀柄中，圓柱柄需要用彈簧套、液壓夾頭、熱縮夾頭等方法夾緊，精度和極限轉(zhuǎn)速都相對(duì)較高，一般更適合于加工余量較小因而切削力和切削扭矩較小，轉(zhuǎn)速卻較高的精加工；而削平型和斜削平型圓柱柄則通常用側(cè)面的螺釘鎖緊，因此刀柄與接口孔之間有一定的間隙，夾緊時(shí)會(huì)產(chǎn)生些許偏心，但可傳遞的扭矩較大，一般適應(yīng)于粗加工。
在車削和銑削中，使用雙面定位系統(tǒng)如CAPTO、KM、HSK-T則都是在考慮高重復(fù)定位精度的優(yōu)先選擇。