切削加工与刀具技术的历史介绍了中国远古时期石器时代铁器时代的切削加工与刀具技术中国领先于全世界从第一次工业革命以后阐述了欧美各国和俄罗斯在切削加工技术解放后工件与刀具双方交替发展关键词它在国民经济中占有重要地位刀具用坚硬的材料制成切削加工的任务是利用刀具切除被加工对象毛坯上的多余材料精度和表面质量都符合预定要求的表面是由古代切削加工本文将阐述古代1 古代的切削加工和刀具在切削加工方面旧石器时代距今约50~60万年的北京猿人制造和使用了各种带刃的石器刮削器和尖状器(图1)¿³ÔÒÆ÷ÓÒ²¿Ô²Íº×ó²¿ÓзæÈйÎÏ÷Æ÷ºÍ¼â×´Æ÷ÉÏÔò¾ù¾ßÓÐÃ÷ÏԵķæÀûÈв¿µ«ËüÊÇÒ»ÇÐÈËΪ¼Ó¹¤µÄ¿ªÊ¼到了新石器时代石刀石锛刀体比较匀称有凸刃圆刃等这是钻孔技术的开端制作形状和用途各异的切削工具新石器时代的人类曾把坚硬的石片镶嵌在骨把上石器时代的切削工具加工对象也多为非金属材料(如石材兽骨等)ÒѾ-¾ß±¸ÁËÈý¸ö»ù±¾ÒªËص¶¾ß(带刃部的工具)被加工对象(生产或生活用品)切削运动(人用手握持住刀具与被加工对象　刀具的发明和切削加工的应用历史学家认为它是人类登上历史舞台的重要标志(1) 砍砸器(约为原大的1/2) (2) 刮削器(约为原大的2倍) (3) 尖状器(约为原大的2倍)图1 砍砸器图2 新石器时代的石刀图3 新石器时代的石刃骨刀(甘肃永昌鸳鸯池出土)从青铜器时代开始早在齐家文化时期已用天然铜制造器具已经有了相当发达的青铜冶铸业图4所示为商代的青铜钻锯这些刀锉的结构和形状似于现代的切削工具而包括了金铜等金属材料当时这些切削工具发挥了多么大的作用图4 商代的青铜钻(郑州二里冈出土)图5 春秋时代的青铜刀锉(河南汲县山彪镇出土)商代还会制作过铁刃铜钺(图6)ÏâǶÔÚÍ-ÖÊîáÌåÉÏÈпڵĻùÌåΪÌú含镍1.76%ÎýîܹèËùÒÔÈв¿²ÄÁÏʵ¼ÊÉÏÊÇÒ»ÖÖº¬ÓжàÖֺϽðÔªËصĸֲÄ图6 商代的铁刃铜钺(河北藁城出土)石刃骨刀和铁刃铜钺说明当时已经认识到刀具刃部的重要作用刀刃取稀缺刀体取价值较低但韧性较好的材料青铜器时代的大量出土文物表明生产工具和生活用品磨削加工或研磨实质上也是一种切削加工我国发明了生铁冶铸技术渗碳为制造坚硬锋利的工具提供了有利的条件使切削加工进入了一个新阶段分工比较细致出现了用金属刀具刻镂的纹饰和钻孔的痕迹有一部手工艺专著上面记载了各种兵器介绍了关于战车的制造工艺金工等30个专业的技术知识材美工巧所谓指采用优良的材质工巧是指采取合理由此可见包括一部分切削加工当时的实战兵器很多矛钺镞制作十分精致光亮无锈经化验含锡21.38%锌0.041%º¬Îý11.10%锌0.098%解放后在河北满城一号汉墓(中山靖王之墓)中出土的五铢钱(图7)µ¶»¨¾ùÔÈÍÖÔ²¶ÈºÜСȻºó×°¼ÐÔÚľÖƵijµ´²ÉÏÐýתͬĹ³öÍÁµÄÆ÷ÎïÖÐÌúÔä¾-¹ýÉø̼´¦ÀíµÄÌú½£ºÍÊ鵶ÆäÖе«¼Ó¹¤¾«¶ÈºÍ±íÃæÖÊÁ¿ºÜ¸ß˵Ã÷µ±Ê±µÄÇÐÏ÷¼Ó¹¤¼¼ÊõÒѾ-´ïµ½ÁËÒ»¶¨µÄˮƽ图7 西汉时代的五铁钱(河北满城一号汉墓出土)(1)青铜弩机(2)青铜箭头图8 西汉时代的青铜弩机和箭头(河北满城一号汉墓出土)在西安出土的唐代文物中银制造的盘在这些器具上有明显的车削痕迹刀痕细密体现出当时较高的加工精度我国最晚在8世纪时已有原始的切削车床北宋在一百年内先后制造了五座浑仪分度读数能精确到四分之一度明制造精度进一步提高仪器上直径达两米多的大铜环内孔上刻度的加工精度和表面质量都已达到了相当高的水平大铜环的端面是用图9和图10所示的方法[1,9]½øÐÐϳÏ÷ºÍÄ¥Ï÷¶øÖƳɵÄ图12为大铜环制造过程中划线在长期的实践中明代张自烈著[2] (图13)中对刃挤都写出了明确的含义刃为用古谓之芒又说刃从坚则钝古人十分强调刃部的重要性利坚对切削原理已有了一些朴素的唯物辩证的认识图9 清代天文仪器上大铜环的加工(铣削)图10 清代天文仪器上大铜环的加工(磨制)图11 清代铣刀的刃磨图12 清代天文仪器上大铜环的加工(划线和检测)图13 明代上有关刀及刃的论述从以上资料可以看出有着光辉的成就特别是铁器时代2 近代的切削加工机械工程迅猛发展成为一个独立的工程和学科1847年而美国则到1880年才成立了机械工程师协会是和从英国开始的工业革命密切相关的蒸汽机的出现和纺织工业军事工业的兴起每一种新产品的发明和设计才能付诸实现推动着机械制造(包括切削加工)技术迅速提高最早的蒸汽机在很大的程度上是用手工方法加工出来的英国有一位叫理查德它的内孔直径为28È»ºóÇëÀ´Ò»Î»Ç¦½³ËûÓÃľ°åºÍÄàÉ°µ²×¡Æû¸×µÄÁ½¶ËÕâÑù¾Í¼Ó¿ìÁËÄ¥¹âÆû¸×µÄ¹¤×÷ÌúÌõÉÏϵÉÏÉþ×ÓÀ-סÉþ×ÓÔÚÆû¸×ÌåÄÚÍ¿ÉϽð¸ÖÉ°ºÍ¾¨ÓÍǦ¿éÏÂÃæµÄÆû¸×Äڿ׾ͱ»Ä¥¹âÁËÄÚ¿×µÄÁíÒ»²¿·ÖҲѸËÙ±»Ä¥¹â¾-¹ý¼è¿àµÄŬÁ¦ºÍ·±ÖصÄÀͶ¯Ö®ºó¼´ËüµÄ×î´óÖ±¾¶Óë×îСֱ¾¶Ö®²î²»´óÓÚÎÒµÄСÊÖÖ¸µÄºñ¶ÈÒòΪÕâÊÇÆù½ñËùÖªµÀµÄ×îºÃµÄ¼Ó¹¤·½·¨¸ù¾ÝÕâÒ»¶ÎÈÕ¼ÇÈçͼ14所示图14 1760年英国加工汽缸内孔的情形由此可知铸铁但由于缺少先进的机床和工具因而工作效率很低1776年詹姆斯遇到的最大困难是由于镗孔加工方法落后漏汽严重皮革或油脂也无济于事威尔金森(John Wilkinson)帮助瓦特解决了汽缸加工的问题可以加工直径达1.8 m的内孔它的刀杆有4.5 m长可以加工蒸汽机的汽缸并满足精度要求瓦特的蒸汽机才得以顺利制成他为瓦特铸造和加工汽缸达20年之久提高工艺水平和加工技术在18世纪中叶以前当时切削加工所用的机床多数是木制的由于工业革命的推动大约经过一百年的努力解决了各种各样加工问题西奥(Antoine Thiout)在车床上装了一个刀架比过去用手握持车刀进给前进了一大步英国工程师杰西1818年用单齿铣刀进行工作苏格兰詹姆斯1836年1835年）设计了第一次由丝杠同时驱动纵向和横向进给的车床美国的罗宾斯和劳伦斯(Robbins & Lawrence)公司制造出转塔车床轮流进行8道工序的加工在巴黎举行的国际博览会上标志着机床和切削加工已经发展到一个崭新的历史阶段1892年美国诺顿(Norton W. P.)发明了用手柄换档的变速箱这种变速机构很快被应用到各种机床上1887年美国格兰特(Grant G)发明滚齿机1895年发明伞齿刨床泰勒(Taylor F)发明齿轮磨床万能铣床已经基本完善制成座标镗床世界上各主要工业国家的机床工业已具有相当规模工作母机又被称为业的发展 自从切削加工技术发展到一定水平后研究切削理论研究工作主要是从19世纪最早研究切削加工机理的人要数英国的罗姆福德(Rumford)1851年）直接测量了钻削时切除单位体积金属所需的功德国的哈蒂格(Hartig E1770年俄国的基麦(Tème и）和1873年法国的特雷沙(Tresca H1881年）正确指出还强调刀具前刀面上摩擦作用的重要性腐蚀进行观察刀刃锋利性对切削过程的影响以及切削过程中引起颤振的原因）于1900年提出在刀具的刃前区工件材料存在一个裂纹这种认识是错误的19世纪后斯至20世纪初期Ｗ１８５６￣１９１５）对金属切削加工的规律1906年他发表了一篇著名的科学论文1941年ａｎｄ Ｍｅｒｃｈａｎｔ Ｍ）发表了关于金属切削过程力学的著名论文 前苏联很重视科学技术史的研究经常写入一些名人的传略1870至1877年Ａ但未考虑摩擦和塑性变形的影响俄国科学家慈伏雷金(3âîðûêèн K )在切削力的主要问题上作了许多研究工作制作了直接测定切削力的测力仪在实验基础上只知道切削力与切削面积的大小有关当然是一件了不起的事情彼得堡工业学院主任技师乌沙乔夫(Óñà÷åâ ß)进行了很多研究工作创造了用热电偶测量切削温度的方法用金相方法研究切削过程寻求切削规律的方法契留斯金(×åлþñòêèí A )进一步建立了多因素的切削力公式0.7525.0z )(sin 1 60ts øäk P = 式中 k 常数δ 切削角ϕ 主偏角t 切削深度s 进给量 俄国和苏联的科学家们虽然有过很多贡献做过多方面深入研究还应首推美国工程师泰勒世纪末到20世纪初美国机械制造行业的发明家和科学管理家(1) 研究了切削条件和刀具材料对于刀具寿命的影响规律从而优选切削条件得到T¼´Ëùν»òm与刀具材料至今还在应用刀具上的切削温度控制着刀具磨损的速率）于1898年研制成功了高速钢系统的切削试验他们确定的高速钢最佳成分为Ｗ１８．９１％Ｍｎ０．１１％Ｆｅ余量高速钢可用30m/min的速度切削钢材合金工具钢提高了好几倍引起了切削加工的重大变革当时伯利恒钢铁公司的机械加工车间使用了高速钢曾使生产提高了5倍美国机械制造行业从而增加了80亿美元的产值高速钢的成分和性能有了很多变化但当今用得较多的一种钨系高速钢W18Cr4V的化学成分仍然同泰勒(4)泰勒首创(Time Study)和(Motion Study)1911年他发表了(Principle of Scienitific Management)一书泰勒把身体最健壮精确地计算出该工人每一动作所花费的时间找出时间最省资本家曾使之成为一种固定制度这种制度后来被称为泰勒制曾有过各种不同观点的评论泰勒制被资产阶级所利用列宁对泰勒制有过全面的论述[6]Ò»·½ÃæÊÇ×ʲú½×¼¶°þÏ÷µÄ×îÇÉÃîµÄ²Ð¿áÊÖ¶ÎÁíÒ»·½ÃæÊÇһϵÁеÄ×î·á¸»µÄ¿Æѧ³É¾ÍÊ¡È¥¶àÓàµÄ±¿×¾µÄ¶¯×÷ʵÐÐ×îÍêÉƵļÆËãºÍ¼à¶½ÖƵȵÈÁÐÄþÓÖÖ¸³öÔÚÕâ·½ÃæÎÞÂÛÈçºÎ¶¼Òª²ÉÓÿÆѧºÍ¼¼ÊõÉÏÒ»Çб¦¹óµÄ³É¾ÍÒò´ËÓ¦¸ÃÔÚ¶í¹úÑо¿Óë´«ÊÚÌ©ÀÕÖƲ¢ÇÒʹËüÊÊÓ¦ÏÂÀ´Óɴ˿ɼû¶øÊÇ×÷Á˿͹۵Ä总之是不容抹煞的惠特沃思泰勒等人见诸历史的教授在历史长河中如工人也曾对切削加工技术作出过重要贡献但是应该同样地怀着崇敬的心情来纪念他们自19世纪中叶起由三方面组成外国人经营的船舶修造厂和铁路工厂等清朝政府兴办的机械工业金陵机器局天津机器局等民族资本家经营的机器制造厂值得写记的有由江南制造局发展而成的江南造船所于1921~1922年间曾为美国建造过4艘万吨运输船１９１６年上海王岳记机器厂造出我国第一台3号万能铣床抗日战争前自成体系战争作准备实力很弱七事变后国民党在大后方(主要在重庆成都解放区为了抗战需要从事军械修理炮等武器到1947年职工10.7万人年用电量1.4 亿多度有少数的机床修造厂和工具厂能自制一些普通车床铣床丝锥等简单刀具和量具旧中国的切削加工技术是非常落后的中国约比欧美先进国家落后了近一百年3 解放后中国切削加工与刀具技术大发展1949年机械工业迅速发展在前苏联援建的156项重点企业中如汽车制造厂飞机制造厂硬质合金制造厂等又改建新建了许多制造工厂文革特别是国民经济改革开放以后加强对外交流在数量和质量水平上都步入了国际先进行列全国机床有300余万台唯数控机床所占的比例尚低于工业先进国家中工具厂遍布全国刀具结构加工效率大幅度增长铣床的切削速度由解放初的10 m/min提高到现在500~1000 m/min(切削普通钢铝合金)半个世纪以来目前如硬质合金年产7 000~10 000 t均为世界第一铣刀已采用了先进的机夹可转位结构内外排屑的深孔钻及改进结构后的麻花钻也得到普遍应用数控机床和加工中心上所用的刀具系统也实现了完善与进步热加工)者达200所以上很多学校对切削加工和刀具的理论与实践进行科学研究如华南理工大学在已加工表面质量哈尔滨工业大学在超精密切削哈尔滨理工大学在断屑方面西安交通大学在齿轮刀具方面新型刀具材料及机械加工发展史方面华侨大学在石材加工方面华中科技大学在极薄层切削北京航空航天大学在并联机床及钻头刃磨方面车铣机床与超高速铣床的研制(主轴达3 000~6 000 r/min)方面合肥工业大学在绿色制造方面河北理工学院在切削液方面南京航空航天大学在难加工材料高速切削及CVD金刚石镀膜刀具方面等等成果丰硕实用在解放初期做出了很大贡献北京永定机械厂的倪志福上海锅炉厂的李福祥北京人民机器厂的桂育鹏使用了强力切削车刀可转位铣刀长春第一汽车制造厂的张国良创造了超细长杆的车削工作法哈尔滨的孙茂松创造了高速挑蜗杆先进工作法沈阳全福长对强力车刀等等带动和培养了大量现场工作人员全国劳动模范在20世纪50年代就建立起来的机床研究所兵器55所等均为有关切削加工的专业研究单位做出了很大贡献积累了丰富的经验例如高锰钢的切削方面航天工厂在高温合金电子行业在有色金属的切削方面冶金行业在高硬度钢与铸铁轧辊的切削方面高校与工厂还实践了多种新型切削加工方法等离子体加热)Õæ¿Õ»·¾³ÏÂÇÐÏ÷Ê©¼Ó¸÷ÖÖÇÐÏ÷ÒºµÄÇÐÏ÷Ê©¼ÓÅçÎíÀäÈ´µÄÇÐÏ÷µÈµÈÓеÄÒѸ¶ÖîÓ¦ÓÃÄ¿Ç°ÖйúÒÑÓµÓÐÇ¿´óµÄ»úеÖÆÔ칤ҵҲÕÆÎÕÁËÏȽøµÄÇÐÏ÷Ó뵶¾ß¼¼ÊõÄÜÖÆÔìÎÀÐÇÄܽ¨ÉèÈýÏ¿¹¤³ÌºÍ´óÐ͵çÕ¾ÄÜÖÆÔìËùÓеij£¹æÓëÏȽøµÄ±øÆ÷»¯¹¤ÄÜÖÆÔìËùÓеÄÏȽø»ú´²ºÍµ¶¾ßÖйúÒѳÉΪ»úеÖÆÔìµÄ´ó¹úºÍÇ¿¹úÒÙÁ¢ÓÚå¾Çò¼¼ÊõÂäºóµÄ¾ÉÖйúÒѾ-һȥ²»¸´·µÁ˵¶¾ßË«·½½»Ìæ·¢Õ¹µ¶¾ßÓ빤¼þÓÐ×ŶÔÁ¢ºÍͳһµÄ¹Øϵ¾-³£Íƶ¯ÁíÒ»·½·¢Õ¹Ç°½øÓÉÓÚÉú»î¹¤¼þÒ»·½µÄÇé¿ö¾-³£·¢Éú±ä»¯¹¤¼þ²ÄÁϵĻúеÐÔÄÜ(如强度产品的品种和批量逐渐增多工件的结构等等就不断向刀具提出更新当刀具不能满足这些要求时提高其性能刀具性能提高了接着工件又推动刀具继续前进工件材料多为灰铸铁它们较易加工19世纪中叶以后钢的产量迅速增加熟铁等钢的加工要难一些只能采有5~10 m/min的切削速度于是高碳工具钢已不能适应新的加工要求英国的罗伯特使切削速度提高到8~12 m/minÈÔÊǺÜÓкܵÄÇÐÏ÷ÆÕͨ¸Ö²ÄʱËÙ¶ÈÒ»ÏÂ×ÓÌá¸ßµ½30 m/min³ÉΪÇÐÏ÷¼¼ÊõÀúÊ·ÉϵÄÒ»´ÎÖØ´ó±ä¸ïµ¶¾ß²ÄÁ϶ÔÓÚµ±Ê±¼Ó¹¤µÄÐèÒª´óÌåÉÏÊÇÊÊÓ¦µÄ½øÈë20世纪以来其机械性能日益提高各种高强度钢高硬耐磨铸铁钛合金等难加工材料相继出现或者根本切不动人们又改进高速钢的化学成分与热处理方法出现了很多新型高速钢高钒超硬高速钢等20世纪20年代至30年代初并逐步用于生产可比高速钢提高4~10倍可以切削高速钢所加工不了的材料硬质合金脆性较大因此只能在部分加工范围内代替高速钢使用又出现了陶瓷人造金刚石等更为先进的刀具材料然而加上价昂直到最近它们的使用面均尚受到局限切削加工仍处在大量使用高速钢与硬质合金的时代硬质合金约占50%~60%ÌմɵÈÏȽøµ¶¾ß²ÄÁÏ硬铸铁正因为如此而在19世纪或20世纪初是根本不可想象的维持切削性能的最高温度以及切削速度的大致比值可以预期加工效率要求进一步提高高速切削即所谓超精密切削数控技术主导的和环保要求的所有这些而刀具材料更是关键是既有高的硬度和耐磨性刀具对于被加工工件和工作条件再适应交替发展这就是切削加工与刀具技术发展的历史规律17131665ɽ¶«¿Æѧ¼¼Êõ³ö°æÉçÐìºëɽÒë. 北京19805 Taylor F, W. On tne art of cutting metals. Trans. ASME, 1906, 28:13~206 [苏]列宁. 列宁选集. 中文译本第三卷. 北京19727 于启勋. 论现代刀具材料的新进展. 中国高校切削与先进制造技术研究会第六届年会论文集. 北京1999Öйú´ó°Ù¿ÆÈ«Êé³ö°æÉç¸ßµÈ½ÌÓý³ö°æÉç。