金属切削理论发展的历史回顾

    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》，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。

    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, Wiebe和Joessel。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在1870年提出切屑是经过剪切面的剪切变形而形成的。Tresca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。

    这一时期也开始了切削模型的研究，在1881年，Mallock提出了类似于卡片模型的理论，而Zvorkin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。

    切削可加工性(Machinability)这一概念是二十世纪20年代中期首先由Herbert，Rosenhain和Sturney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。