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1、切削技术发展史1 古代的切削加工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. 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 5060万年的北京猿人 ,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、
2、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
3、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 ,
4、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。2 近代的切削加工公元 17501900 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
5、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
6、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. 3 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
7、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
8、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410 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
9、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.
