博文
金属切削理论发展的历史回顾
|
摘要 本文回顾了金属切削理论发展的历史，将其发展的历史大致划分为三个阶段，并总结了各个阶段的主要成果。
关键词 切削加工 金属切削理论
一．引言
做为机械加工的一种重要方法，金属切削加工具有相当悠久的历史，而且在可以预见的未来，金属切削加工作为一种机械加工方法，都是不可替代的。因而作为研究金属切削加工的基础科学—金属切削理论的研究还应该加以重视并继续加强。
金属切削理论做为总结分析和指导切削加工实践的一门学科也是古老而又充满活力的。以下我们对金属切削理论发展的历史和各个重要阶段的主要成果加以总结回顾，以便大家对应用力学领域的这一分支有所了解。
二．金属切削理论发展主要阶段
对金属切削理论的研究可以追溯到十七世纪，1679年Hooke把他包括6个主要工作的一组报告汇集一起，出了一个单行本《论刀具切削》（lectiones culeriannae）[1]，这本书中至少包括了Hooke的两个重要的科学发现，一是提出了以其名字命名的定理，这就是著名的应力与应变成正比的弹性定理。另一个发现是Hooke直觉地理解到振动着的弹簧与一个单摆是动力等价的。但真正作为一门学科来研究的话，金属切削理论研究大致从1850年算起[2]。
回顾金属切削理论研究一百多年的历史，根据研究重点的不同，可以分为以下三个时期：
第一研究阶段可称为力学或切屑形成机理时期（Mechanics or Chip Formation Period ），大致为1850-1900年五十多年的时间。1774年，J.Wilkinson发明了第一台金属镗床，提高了汽缸的加工精度，减少了汽缸和活塞间的蒸汽泄漏，从而使得J.Watt的蒸汽机的应用成为可能，从这一典型事例中我们可以知道金属切削加工在当时社会生产中具有非常重要的地位，是当时最先进的加工方法。这一阶段的初期，金属切削理论主要研究方向是研究切削过程中的切削力和消耗的切削能量，主要的研究者有H.Cocquihat[3], Wiebe [4]和Joessel[5]。1851年，H.Cocquihat 研究了在铸铁，黄铜和石头等材料上钻孔时，切去一定体积材料所需要的功。1864年，Joesse探讨了刀具几何角度对切削力的影响。在这一时期的后半段，主要的研究方向是塑性剪切和切屑形成机理。Timme[6，7，8]在1870年提出切屑是经过剪切面的剪切变形而形成的。Tresca[9，10] 于1864—1872年间在一系列金属挤压实验基础上提出了最大剪应力屈服准则，可以认为是塑性本构关系实验与理论研究的开始。到1873年和1878年Tresca又提出切屑的形成是工件材料受刀具挤压，从而在垂直切削方向的平面发生剪切变形的过程。在这一时期也开始了切削模型的研究，在1881年，Mallock[11]提出了类似于卡片模型的理论，而Zvorkin[12]则在1893年建立了剪切角关系式，他假设剪切面是剪应力最大面。值得注意的还有塑性力学Durcker公设的提出者Durcker[13]等力学家的工作。回顾这一阶段的历史，可以发现，切削理论的研究一开始就是和力学的研究有着紧密的关系，金属切削过程中所遇到的问题既给力学家们提供了新的课题，也为他们提供了验证其力学理论可靠而又简便的试验手段。考察自然科学的发展史，在当时力学起着先导和基础的作用，处于自然科学的前沿地位。所以金属切削理论的研究起点是很高的，也是居于当时自然科学的前沿地位。这也跟金属切削加工在当时社会生产中的地位相适应。
第二研究阶段可称为切削可加工性时期（Machinability Period），大致从1900-1930年共约30年时间。在这一时期随着社会生产力的发展，金属切削加工技术也有了长足的进步，新的刀具材料和加工工艺不断出现。例如，1898年Taylor 和White发明高速钢。1930年前后人们又发明了硬质合金。新的刀具材料的出现使切削加工的生产效率大大提高，应用范围越来越广。以高速钢的应用为例，Trent在他的名著《Metal Cutting》中写到“高速钢刀具的出现引起了金属切削实践的革命，大大提高了机械加工车间的生产率，并要求完全改变机床的结构，据估计，在最初几年，美国的工程制造业，由于使用了价值二千万美元的高速钢而增加了八十亿美元的产值。”与此同时，生产实际也给金属切削研究者带来了许多急需解决的问题，例如刀具的耐用度，加工表面质量，切屑的排除等等。这一时期金属切削理论主要的成果有，1907年Taylor[14]在整整工作了26年切除了3万吨切屑，掌握了10万个以上的实验数据的基础上，在他经典的论文“On the Art of Cutting Metal”中提出了著名的刀具耐用度公式 ，第一个研究了切削速度和刀具耐用度之间的关系。这一公式对今天预测刀具耐用度仍有重要的指导意义。有些学者认为金属切削理论的研究是从Taylor开始，虽不确切，但Taylor的工作确实是金属切削理论史上一个重要的里程碑。而切削可加工性（Machinability）这一概念则是二十世纪20年代中期首先由Herbert, Rosenhain和Sturney[15]提出，在这一时期切削加工性主要是指切削速度与刀具耐用度之间的关系，而对切削表面质量，切屑去除和尺寸精度等的研究还不深入。切削加工性被看作是与材料的硬度，韧性等有关的材料的一个重要特性。在这一时期还开始关注刀—屑温度的重要性并进行了初步的研究。
第三研究阶段从二十世纪30年代至今，可以称之为理论推广应用时期（Amplification and Application Period ）,传统意义上的金属切削理论研究在二十世纪六七十年代达到高峰。在这一时期总结了上两个时期的研究成果，将切屑成形机理与切削可加工性的关系的研究发展到了一个新的高度。而在实验手段和理论应用于生产方面也达到了前所未有的水平，这一时期比较重要的工作有：Bisacres 和Chao [16，17]在40年代中期首先研究了切削过程中的切削温度分布，提出了温度参数 的概念（其中 为切削速度， 为切削厚度， 为热导率）。以后还有Trigger，Lowen等人的工作，这在以后的章节中还要加以详述。在正交切削模型的研究方面，Pisspen、Merchant、Lee和Shaffer、Shaw 以及Oxley等都做了重要的开创性工作。日本的工藤英明，臼井英治利用视塑性方法构造滑移线场，从而建立切削方程式的新方法也值得加以重视。我国的金属切削理论研究者也作出了重要的贡献。这一时期研究重点是切削过程中出现的各种现象及其发生机理的研究，例如剪切角关系、切削温度分布和刀具磨损、切屑卷曲机理以及积屑瘤形成机理等等。金属切削机理的研究可以说是在六七十年代到八十年代初期达到高峰期，新理论，新方法不断涌现，计算机技术的飞速发展及其广泛应用使得金属切削机理的研究有了新的强有力的工具。在这一时期还出现了英国金属学家Trent的《Metal Cutting》 、美国金属切削理论家Shaw 的《Metal Cutting Principles》等全面总结性介绍金属切削理论和实验技术的经典著作。八十年代以后随着计算机技术，自动控制技术在金属切削生产中的广泛应用，金属切削加工的研究重点逐步转向切削加工与计算机技术和自动控制技术相结合方面。对金属切削过程本身现象发生机理的研究相对较少。作者认为要更好地应用计算机技术、自动控制技术于金属切削加工的生产实际中，还是应该重视金属切削基础理论的研究。而且随着生产力的进一步发展，新材料、新工艺的不断涌现以及计算机技术和自动控制技术的在金属切削加工中更为广泛深入的应用，必将为金属切削基础理论的研究开拓新的方向，提出新的要求。
三．结束语
以上简要回顾金属切削理论的发展史，不难发现金属切削理论应该是属于应用力学的一个分支，它是一门古老的基础学科，曾经处于力学的前沿地位，为当时力学的发展作出了很大的贡献。更为重要的是金属切削理论作为切削加工的理论基础，始终是与社会生产实际结合在一起的。它既是生产实践活动的客观总结，又对生产实践起着重要的指导作用。这正是金属切削理论之所以能够得到长期不断发展的根本原因。
回顾历史，展望未来，作者认为金属切削理论今后的发展方向主要有以下两个方面：
1． 紧密联系生产实际，研究解决不断涌现的新材料的切削加工机理和加工方法以及切削加工向精密化、自动化和智能化发展过程中所碰到的各种问题。在实验和理论分析计算等方面应用计算机作为一种强有力的工具，以求得到更为精确的理论结果，开拓新的研究领域。
2． 金属切削过程是一个复杂的动态过程，它具有比常规力学试验大得多的变形和高得多的应变率。金属切削过程中既有弹性变形，又有塑性变形，还有很高的切削温度和复杂的摩擦条件，所以金属切削过程的力学实质到目前为止还有许多未能彻底搞清楚的地方，对金属切削力学机理的研究必将有助于力学的发展和进步，这已经被前人的实践所证明，也必将被未来的实践所证实。例如，当前力学研究的前沿之一是对在高应变率下材料动态力学性能的研究，切削过程正是这样一个大应变和高应变率的过程，运用切削方法可为研究这一动态过程的力学特性提供方便可靠的实验手段。研究切削过程中材料的变形机理应该成为这一研究方向的重要内容。
总之，金属切削机理研究并不是已经没有可以值得研究的内容，相反，在这一领域里还有许多值得我们去研究探讨和加以完善的内容。
参考文献
[1] 石光绮译. Robert Hook. Dictionary of Scientific Biography. 力学与实践. 第3卷.第三期，1981.3: 70-73
[2] A.Henkin, J.Datsko. The Influence of Physical Properties on Machinability. Trans.ASME, 1963: 321-328
[3] H.Cocquilhat. Experiences sur la Resistance Utile Produites dans le Forage. Annales des Traraux Publics en Belgique. Vol.10, 1851: 199
[4] F.Wiebe. Handbuch der Maschinen-Kunde 1858
[5] Jossel. Versuche uber gunstigeste Form und Verwendung der Schneid-Werkzenge Von Standpuncte der Oeconomie der Betriebeskraft. Zeitschrift, Oesterreichischen Ingenieur und Architeken Vereins, 1865:152
[6] K.P.Panchenko. Russkie Ucheniye Ocnovopolozhniki Hauki O Rezanii Metallov Mashgiz. Moscow, 1952
[7] I.A.Timme. Soprotivlenie metallov idreva rezaniyu. St.Peterburg, 1870
[8] I.A.Timme. Memoirs sur le Rabotage St.Peterburg. 1877
[9] H.Tresca. Memoirs sur le Rabotage des Metaux. Bulletin de la Societe d’Encouragement Pour l’Industrie Nationale. St.Peterburg., 1877
[10] H.Tresca. On Further Applications of the Flow of Solids. Proceedings I . Mech.E. 1878: 301
[11] A.Mallock. The Action of Cutting Tools. Proceedings of the Royal Socitey. Vol.33, 1881:127-139
[12] K.A.Zvorikin. Rabota I Usilie, Neobkhodimie dlaya Otdele-naya Metallicheskikh Struzhek. Moscow, 1893
[13] D.C.Drucker. An Analysis of the Mechanics of Metal Cutting. Journal of Applied Physics. Vol.20. 1949: 1013-1021
[14] F.W.Talyor. On the Art of Cutting Metal. Trans. ASME. Vol.28, 1907: 31-350
[15] E.g.Herbet. Cutting Tools Research Committee. Report on Machinability. Proceeding, I. Mech.E.1928: 175-825
[16] F.F.Bisacre & G.H.Bisacre. The Life of Carbide-Tipped Turning Tools Vol.165, 1947:452-469
[17] B.T.Chao & G.H.Bisacre. The Effect of Speed and Feed On the Mechanics of Metal Cutting. Proceeding, I.Mech.E. Vol.165, 1951: 1-13
Review on the History of Metal Cutting Principle
South China University of Technology
Liu Yajun Xia Wei
Abstract The development of metal cutting principle is reviewed in this paper. Three periods are defined and the primary achievements in every period are concluded.
Keywords cutting process metal cutting principle
https://blog.sciencenet.cn/blog-4562-9252.html
上一篇：略谈云岗石窟佛雕造型设计
下一篇：怎样定义高速切削？
关键词 切削加工 金属切削理论
一．引言
做为机械加工的一种重要方法，金属切削加工具有相当悠久的历史，而且在可以预见的未来，金属切削加工作为一种机械加工方法，都是不可替代的。因而作为研究金属切削加工的基础科学—金属切削理论的研究还应该加以重视并继续加强。
金属切削理论做为总结分析和指导切削加工实践的一门学科也是古老而又充满活力的。以下我们对金属切削理论发展的历史和各个重要阶段的主要成果加以总结回顾，以便大家对应用力学领域的这一分支有所了解。
二．金属切削理论发展主要阶段
对金属切削理论的研究可以追溯到十七世纪，1679年Hooke把他包括6个主要工作的一组报告汇集一起，出了一个单行本《论刀具切削》（lectiones culeriannae）[1]，这本书中至少包括了Hooke的两个重要的科学发现，一是提出了以其名字命名的定理，这就是著名的应力与应变成正比的弹性定理。另一个发现是Hooke直觉地理解到振动着的弹簧与一个单摆是动力等价的。但真正作为一门学科来研究的话，金属切削理论研究大致从1850年算起[2]。
回顾金属切削理论研究一百多年的历史，根据研究重点的不同，可以分为以下三个时期：
第一研究阶段可称为力学或切屑形成机理时期（Mechanics or Chip Formation Period ），大致为1850-1900年五十多年的时间。1774年，J.Wilkinson发明了第一台金属镗床，提高了汽缸的加工精度，减少了汽缸和活塞间的蒸汽泄漏，从而使得J.Watt的蒸汽机的应用成为可能，从这一典型事例中我们可以知道金属切削加工在当时社会生产中具有非常重要的地位，是当时最先进的加工方法。这一阶段的初期，金属切削理论主要研究方向是研究切削过程中的切削力和消耗的切削能量，主要的研究者有H.Cocquihat[3], Wiebe [4]和Joessel[5]。1851年，H.Cocquihat 研究了在铸铁，黄铜和石头等材料上钻孔时，切去一定体积材料所需要的功。1864年，Joesse探讨了刀具几何角度对切削力的影响。在这一时期的后半段，主要的研究方向是塑性剪切和切屑形成机理。Timme[6，7，8]在1870年提出切屑是经过剪切面的剪切变形而形成的。Tresca[9，10] 于1864—1872年间在一系列金属挤压实验基础上提出了最大剪应力屈服准则，可以认为是塑性本构关系实验与理论研究的开始。到1873年和1878年Tresca又提出切屑的形成是工件材料受刀具挤压，从而在垂直切削方向的平面发生剪切变形的过程。在这一时期也开始了切削模型的研究，在1881年，Mallock[11]提出了类似于卡片模型的理论，而Zvorkin[12]则在1893年建立了剪切角关系式，他假设剪切面是剪应力最大面。值得注意的还有塑性力学Durcker公设的提出者Durcker[13]等力学家的工作。回顾这一阶段的历史，可以发现，切削理论的研究一开始就是和力学的研究有着紧密的关系，金属切削过程中所遇到的问题既给力学家们提供了新的课题，也为他们提供了验证其力学理论可靠而又简便的试验手段。考察自然科学的发展史，在当时力学起着先导和基础的作用，处于自然科学的前沿地位。所以金属切削理论的研究起点是很高的，也是居于当时自然科学的前沿地位。这也跟金属切削加工在当时社会生产中的地位相适应。
第二研究阶段可称为切削可加工性时期（Machinability Period），大致从1900-1930年共约30年时间。在这一时期随着社会生产力的发展，金属切削加工技术也有了长足的进步，新的刀具材料和加工工艺不断出现。例如，1898年Taylor 和White发明高速钢。1930年前后人们又发明了硬质合金。新的刀具材料的出现使切削加工的生产效率大大提高，应用范围越来越广。以高速钢的应用为例，Trent在他的名著《Metal Cutting》中写到“高速钢刀具的出现引起了金属切削实践的革命，大大提高了机械加工车间的生产率，并要求完全改变机床的结构，据估计，在最初几年，美国的工程制造业，由于使用了价值二千万美元的高速钢而增加了八十亿美元的产值。”与此同时，生产实际也给金属切削研究者带来了许多急需解决的问题，例如刀具的耐用度，加工表面质量，切屑的排除等等。这一时期金属切削理论主要的成果有，1907年Taylor[14]在整整工作了26年切除了3万吨切屑，掌握了10万个以上的实验数据的基础上，在他经典的论文“On the Art of Cutting Metal”中提出了著名的刀具耐用度公式 ，第一个研究了切削速度和刀具耐用度之间的关系。这一公式对今天预测刀具耐用度仍有重要的指导意义。有些学者认为金属切削理论的研究是从Taylor开始，虽不确切，但Taylor的工作确实是金属切削理论史上一个重要的里程碑。而切削可加工性（Machinability）这一概念则是二十世纪20年代中期首先由Herbert, Rosenhain和Sturney[15]提出，在这一时期切削加工性主要是指切削速度与刀具耐用度之间的关系，而对切削表面质量，切屑去除和尺寸精度等的研究还不深入。切削加工性被看作是与材料的硬度，韧性等有关的材料的一个重要特性。在这一时期还开始关注刀—屑温度的重要性并进行了初步的研究。
第三研究阶段从二十世纪30年代至今，可以称之为理论推广应用时期（Amplification and Application Period ）,传统意义上的金属切削理论研究在二十世纪六七十年代达到高峰。在这一时期总结了上两个时期的研究成果，将切屑成形机理与切削可加工性的关系的研究发展到了一个新的高度。而在实验手段和理论应用于生产方面也达到了前所未有的水平，这一时期比较重要的工作有：Bisacres 和Chao [16，17]在40年代中期首先研究了切削过程中的切削温度分布，提出了温度参数 的概念（其中 为切削速度， 为切削厚度， 为热导率）。以后还有Trigger，Lowen等人的工作，这在以后的章节中还要加以详述。在正交切削模型的研究方面，Pisspen、Merchant、Lee和Shaffer、Shaw 以及Oxley等都做了重要的开创性工作。日本的工藤英明，臼井英治利用视塑性方法构造滑移线场，从而建立切削方程式的新方法也值得加以重视。我国的金属切削理论研究者也作出了重要的贡献。这一时期研究重点是切削过程中出现的各种现象及其发生机理的研究，例如剪切角关系、切削温度分布和刀具磨损、切屑卷曲机理以及积屑瘤形成机理等等。金属切削机理的研究可以说是在六七十年代到八十年代初期达到高峰期，新理论，新方法不断涌现，计算机技术的飞速发展及其广泛应用使得金属切削机理的研究有了新的强有力的工具。在这一时期还出现了英国金属学家Trent的《Metal Cutting》 、美国金属切削理论家Shaw 的《Metal Cutting Principles》等全面总结性介绍金属切削理论和实验技术的经典著作。八十年代以后随着计算机技术，自动控制技术在金属切削生产中的广泛应用，金属切削加工的研究重点逐步转向切削加工与计算机技术和自动控制技术相结合方面。对金属切削过程本身现象发生机理的研究相对较少。作者认为要更好地应用计算机技术、自动控制技术于金属切削加工的生产实际中，还是应该重视金属切削基础理论的研究。而且随着生产力的进一步发展，新材料、新工艺的不断涌现以及计算机技术和自动控制技术的在金属切削加工中更为广泛深入的应用，必将为金属切削基础理论的研究开拓新的方向，提出新的要求。
三．结束语
以上简要回顾金属切削理论的发展史，不难发现金属切削理论应该是属于应用力学的一个分支，它是一门古老的基础学科，曾经处于力学的前沿地位，为当时力学的发展作出了很大的贡献。更为重要的是金属切削理论作为切削加工的理论基础，始终是与社会生产实际结合在一起的。它既是生产实践活动的客观总结，又对生产实践起着重要的指导作用。这正是金属切削理论之所以能够得到长期不断发展的根本原因。
回顾历史，展望未来，作者认为金属切削理论今后的发展方向主要有以下两个方面：
1． 紧密联系生产实际，研究解决不断涌现的新材料的切削加工机理和加工方法以及切削加工向精密化、自动化和智能化发展过程中所碰到的各种问题。在实验和理论分析计算等方面应用计算机作为一种强有力的工具，以求得到更为精确的理论结果，开拓新的研究领域。
2． 金属切削过程是一个复杂的动态过程，它具有比常规力学试验大得多的变形和高得多的应变率。金属切削过程中既有弹性变形，又有塑性变形，还有很高的切削温度和复杂的摩擦条件，所以金属切削过程的力学实质到目前为止还有许多未能彻底搞清楚的地方，对金属切削力学机理的研究必将有助于力学的发展和进步，这已经被前人的实践所证明，也必将被未来的实践所证实。例如，当前力学研究的前沿之一是对在高应变率下材料动态力学性能的研究，切削过程正是这样一个大应变和高应变率的过程，运用切削方法可为研究这一动态过程的力学特性提供方便可靠的实验手段。研究切削过程中材料的变形机理应该成为这一研究方向的重要内容。
总之，金属切削机理研究并不是已经没有可以值得研究的内容，相反，在这一领域里还有许多值得我们去研究探讨和加以完善的内容。
参考文献
[1] 石光绮译. Robert Hook. Dictionary of Scientific Biography. 力学与实践. 第3卷.第三期，1981.3: 70-73
[2] A.Henkin, J.Datsko. The Influence of Physical Properties on Machinability. Trans.ASME, 1963: 321-328
[3] H.Cocquilhat. Experiences sur la Resistance Utile Produites dans le Forage. Annales des Traraux Publics en Belgique. Vol.10, 1851: 199
[4] F.Wiebe. Handbuch der Maschinen-Kunde 1858
[5] Jossel. Versuche uber gunstigeste Form und Verwendung der Schneid-Werkzenge Von Standpuncte der Oeconomie der Betriebeskraft. Zeitschrift, Oesterreichischen Ingenieur und Architeken Vereins, 1865:152
[6] K.P.Panchenko. Russkie Ucheniye Ocnovopolozhniki Hauki O Rezanii Metallov Mashgiz. Moscow, 1952
[7] I.A.Timme. Soprotivlenie metallov idreva rezaniyu. St.Peterburg, 1870
[8] I.A.Timme. Memoirs sur le Rabotage St.Peterburg. 1877
[9] H.Tresca. Memoirs sur le Rabotage des Metaux. Bulletin de la Societe d’Encouragement Pour l’Industrie Nationale. St.Peterburg., 1877
[10] H.Tresca. On Further Applications of the Flow of Solids. Proceedings I . Mech.E. 1878: 301
[11] A.Mallock. The Action of Cutting Tools. Proceedings of the Royal Socitey. Vol.33, 1881:127-139
[12] K.A.Zvorikin. Rabota I Usilie, Neobkhodimie dlaya Otdele-naya Metallicheskikh Struzhek. Moscow, 1893
[13] D.C.Drucker. An Analysis of the Mechanics of Metal Cutting. Journal of Applied Physics. Vol.20. 1949: 1013-1021
[14] F.W.Talyor. On the Art of Cutting Metal. Trans. ASME. Vol.28, 1907: 31-350
[15] E.g.Herbet. Cutting Tools Research Committee. Report on Machinability. Proceeding, I. Mech.E.1928: 175-825
[16] F.F.Bisacre & G.H.Bisacre. The Life of Carbide-Tipped Turning Tools Vol.165, 1947:452-469
[17] B.T.Chao & G.H.Bisacre. The Effect of Speed and Feed On the Mechanics of Metal Cutting. Proceeding, I.Mech.E. Vol.165, 1951: 1-13
Review on the History of Metal Cutting Principle
South China University of Technology
Liu Yajun Xia Wei
Abstract The development of metal cutting principle is reviewed in this paper. Three periods are defined and the primary achievements in every period are concluded.
Keywords cutting process metal cutting principle
https://blog.sciencenet.cn/blog-4562-9252.html
上一篇：略谈云岗石窟佛雕造型设计
下一篇：怎样定义高速切削？
