切削加工是机械制造中最基本的加工方法之一,它在国民经济中占有重要地位.切削加工的任务是利用刀具切除被加工对象上的多余材料,从而得到形状、精度和表面质量都符合预定要求的表面.切削加工所用的工具叫刀具,刀具一般用坚硬的材料制成,并具有锋利的切削刃.现代的金属切削加工及其刀具,也是由当时具有世界领先地位的中国古代切削加工、原始带刃工具和兵器发展演变而来的.

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在切削加工和金属切削加工方面,我国有着悠久的历史.旧石器时代,距今约170万年的云南元谋猿人就使用过石砍砸器.距今约50～60万年的北京猿人,在与大自然搏斗的过程中,制造和使用了各种带刃的石器,如砍砸器、刮削器和尖状器。砍砸器右部圆秃,可作砸用;左部有锋刃,可作砍用.刮削器和尖状器上则均具有明显的锋利刃部.这些古老的原始工具虽然十分粗糙,但它是一切人为加工的开始,也是研究切削加工起源和发展的宝贵历史资料.到了新石器时代,生产工具有了很大进步.石刀、石斧、石锛、石镰等都已制造得相当精致.刀体比较匀称,刃部锋利适用,有凸刃、凹刃、圆刃等.在石器上能打出圆度较高的孔,这是钻孔技术的开端.当时人类已能根据不同的加工对象和需要,制作形状和用途各异的切削工具.出土文物表明,新石器时代的人类会把坚硬的石片镶嵌在骨把上,制成了夹固式的石刃骨刀。.石器时代的切削工具,多为石质和骨质,加工对象也多为非金属材料(如石头、木头、兽骨等).一个原始的切削加工过程,已经具备了3个基本要素:(1)刀具;(2)被加工对象;(3)切削运动.刀具的发现和切削加工的应用,在人类历史上具有十分重要的意义.历史学家认为,刀和火的发现和应用是两项伟大的发明,它是人类登上历史舞台的重要标志.

春秋战国时期,我国发明了生铁冶铸造技术,比西欧要早1800年以上.渗碳、淬火和炼钢技术的发明,为制造坚硬锋利的工具提供了有利的条件.铁质工具的出现,使切削加工进入了一个新阶段.这一时期出土的切削工具,分工比较细致.许多青铜器上,出现了用金属刻镂的纹饰和钻孔的痕迹.春秋中晚期,有一部手工艺专著《考工记》,它是我国现存的一部最早的工程技术著作.其上面记载了各种兵器、生产工具和生活用品的制作规范,介绍了关于战车的制造工艺,简述了土木、金工等30个专业的技术知识.这本书指出“材美工巧”是制成良器的必要条件.所谓“材美”,是指采用优良的材质;“工巧”,是指采取合理、先进的加工工艺.由此可见,这一时期已能比较熟练地掌握各种加工方法,包括一部分切削加工。

近代的切削加工

公元1750～1900年这段历史时期内,机械工程迅猛发展,它是从别的工程中分离出来,成为一个独立的工程和学科.切削加工在这一时期内也得到迅速发展.1847年,英国在伯明翰成立了机械工程师协会,而美国则到1880年才成立了机械工程师协会.

机械工程和切削加工的发展,是和从英国开始的工业革命密切相关的.当时,蒸汽机的出现和纺织工业、采矿工业、军事工业的兴起,对加工技术不断提出新的要求.每一种新产品的发明和设计,必须解决相应的加工技术,才能付诸实现.社会的需要,推动着机械制造(包括切削加工)技术迅速提高.1776年,瓦特成功地制成第1台新的蒸汽机,遇到的最大困难是汽缸的镗孔加工.由于加工方法落后,汽缸与活塞之间空隙较大,漏汽严重,即使填满了布、皮革或油脂也无济于事.幸而铁器制造商威尔金森帮助瓦特解决了汽缸加工的问题.威尔金森于1775年制造了1台炮管钻孔机,可以加工直径达72mm的内孔,并使误差不超过1mm.它的刀杆有5m长.经过改装成为卧式镗床,可以加工蒸汽机的汽缸并满足精度要求.于是,瓦特的蒸汽机才得以顺利制成.威尔金森对瓦特帮助很大,他为瓦特铸造和加工汽缸达20年之久.从威尔金森和瓦特的合作过程可以很清楚地看到,提高工艺水平和加工技术,对于实现机械产品的发明和设计是非常重要的.

工件与刀具的交替发展及其动力

在切削加工过程中,刀具与工件有着对立和统一的关系.当一方有了进展或提出新的问题时,经常推动另外一方的发展与前进.一般来说,由于生活、生产或战争的需要,工件一方的情况经常发生变化.例如,工件材料的机械性能(如强度、硬度)不断提高、产品的品种和批量逐渐增多、加工精度的要求日益提高、工件的结构及形状不断复杂化和多样化等.这样,就不断向刀具提出更新、更高的要求.当刀具不能满足这些要求时,就促使人们改进刀具,提高其性能,以适应新的情况.刀具性能提高了,反过来推动工件进一步发展,接着工件又推动刀具继续前进.

刚刚发明高速钢时,刀具材料对于当时加工的需要大体上是适应的.然而,进入20世纪以后,作为主要工件材料的各种合金钢和铸铁,其机械性能日益提高.尤其是20世纪中叶以来,各种高强度钢、高锰钢、不锈钢、高硬耐磨铸铁、高温合金、钛合金,以及各种非金属材料、复合材料等难加工材料相继出现,高速钢刀具加工这些材料时效率又嫌太低,或者根本切不动.于是,人们又改进高速钢的化学成分与热处理方法,提高高速钢的切削性能,出现了很多新型高速钢,如含钴、高钒超硬高速钢等.另外又利用高硬度的高温碳化物和金属粘结剂,经粉末冶金工艺制成硬质合金.本世纪20年代至30年代初,先后制成钴钨类和钨钛钴类硬质合金,并逐步用于生产.硬质合金刀具加工某些金属的效率,可比高速钢提高4～10倍.而且硬质合金硬度很高,可以切削高速钢所加工不了的材料.但是,硬质合金脆性较大,可加工性又差,因此只能在部分加工范围内代替高速钢使用.随后,又出现了陶瓷、立方氮化硼、人造金刚石等更为先进的刀具材料,它们的硬度和耐磨性又超过了硬质合金.然而,这些新刀具材料都因为过脆,加上价格昂贵、或对某些加工情况不适应等原因,直到最近它们的使用面还不够广.目前,切削加工仍处在大量使用高速钢与硬质合金的时代,高速钢材料约占全部刀具的40%～50%,硬质合金约占50%～60%.用硬质合金、陶瓷等先进刀具材料,可以切削硬度达HRC60以上的淬硬钢和冷硬铸铁,也能够解决其它各种难加工材料的加工问题.正因为如此,这些难加工材料才能够用于工业生产.而在19世纪或20世纪初,要加工这些材料,是根本不可想象的.了解刀具材料的发展进程.可以预期,更难加工的工件材料今后还会不断出现,对刀具将提出更高要求,然后再出现更为先进的刀具材料.刀具对于被加工工件(或材料)从适应到不适应,再适应,再不适应,二者交替发展,不断推动切削加工技术前进,这就是切削加工的历史规律.