ОСНОВНОЙ ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ КУРСА

2.1. ИСТОРИЯ НАУКИ О РЕЗАНИИ МАТЕРИАЛОВ

Машиностроение и металлообработка в целом находятся в процессе постоянного совершенствования и развития. Главным фактором процесса в этих отраслях промышленности на современном этапе является всевозрастающая конкуренция между производителями техники, заставляющая постоянно искать пути снижения себестоимости изделий при удовлетворении повышенных требований к их качеству.

Для решения этой комплексной проблемы актуальными являются повышение технического уровня, обновление и модернизация станочного парка, интенсификация рабочих процессов производства машин, их технологического оснащения, использование материалов и достижений прикладной и фундаментальной науки.

В современном мировом машиностроительном производстве обработка резанием играет ведущую роль, что обеспечивается ее неоспоримыми преимуществами по сравнению с другими методами обработки материалов. Главными из них являются:

- высокая универсальность, что позволяет изготавливать детали разнообразных форм и размеров из различных материалов;

- высокая точность обработки, обеспечивающая точность размеров на уровне 6-го квалитета по ISO и выше. Наряду с высокой точностью методы обработки резанием обеспечивают высокое качество поверхности детали по показателям шероховатости и волнистости;

- высокая экономичность и гибкость процессов обработки резанием.

Несмотря на имеющиеся достижения в использовании методов литья и обработки давлением для окончательной обработки деталей, особенно в условиях массового производства, обработка резанием, лезвийная и абразивная, и в обозримом будущем будет превалировать при изготовлении деталей машин.

В последнее время наблюдается тенденция дальнейшего повышения скоростей резания на станках средних размеров до 10000 м/мин и соответственно частоты вращения шпинделя до 40000-50000 об/мин (сверхскоростное резание). Этот вид резания применим для изготовления сложных деталей из легких сплавов, при обработке которых в стружку уходит до 80-90% массы заготовок. Широкое применение скоростного резания требует повышения точности (1—2 мкм) и жесткости шпиндельных узлов, создания надежных систем контроля состояния режущего инструмента и качества обработки с включением их в систему ЧПУ станка, повышения эффективности отвода стружки из зоны резания, в том числе путем совершенствования СОЖ и систем ее подачи в зону резания (при фрезеровании алюминия со скоростью 3000 м/мин и мощности привода 100 кВт «выход» стружки составляет более 1000 кг/ч).

В настоящее время основной путь повышения эффективности обработки резанием — экономия времени, т.е. уменьшение основного и вспомогательного времени обработки. Первая проблема решается, как указывалось, совершенствованием конструкций и повышением режущих свойств металлорежущего инструмента, вторая — использованием принципа непрерывной обработки, применением предварительно настраиваемых и поднастраиваемых инструментальных систем, автоматизацией манипулирования инструментом и заготовками.

Тем не менее, главное направление достижения эффективности металлообработки — наиболее полное использование машинного времени, т. е. работа с максимальной производительностью.

Наука о резании металлов — относительно молодая наука. Первые опубликованные исследования в области резания относятся к 1848 г. и принадлежат Кокилье, определившему полезное сопротивление, возникающее при сверлении кованого железа. В 1850 и 1864 гг. опыты Кокилье применительно к точению повторяют Кларинваль и Жоссель* Указанные опыты были поставлены настолько примитивно, что полученные результаты не могли иметь сколько-нибудь серьезного теоретического значения. Поэтому работы Кокилье, Жосселя и Кларинваля оказались бесплодными в научном отношении и не могли служить базой для создания науки о резании металлов.

Основоположником научного резания металлов является русский ученый И. А. Тиме, который в 1868—1869 гг. провел обширные и тщательно поставленные опыты по строганию различных материалов, описанные им в книге «Сопротивление металлов и дерева резанию», вышедшей в 1870 г. В своих опытах И. А. Тиме детально исследовал все важнейшие вопросы стружкообразования при обработке пластичных и хрупких материалов. Им впервые была описана механика образования стружки и на основании опытов, составлена классификация типов стружек, общепринятая в настоящее время. Наблюдение за образованием стружки позволило И. А. Тиме первым указать на явление усадки стружки. И. А. Тиме установил понятие об угле скалывания и показал его зависимость от переднего угла инструмента. На основании динамометрических опытов И. А. Тиме предложил формулу для определения силы резания при строгании различных по свойствам материалов. Наконец, еще на заре развития науки о резании металлов И. А. Тиме в общих чертах предвосхитил основные скоростные зависимости, на которых в настоящее время базируются нормативы по режимам резания. Работы И. А. Тиме заложили прочный фундамент для дальнейшей плодотворной деятельности по созданию науки о резании металлов.

Теория И. А. Тиме нашла последующее развитие в работах А. П. Афанасьева, А. А. Брикса и особенно К. А. Зворыкина, поставившего ряд выдающихся по методу и результатам опытов по определению сил при резании.

В конце XIX в. в области резания металлов начинает работать американский исследователь Ф. Тейлор. Формулы Ф. Тейлора для расчета силы и скорости резания, предназначенные для решения частных практических задач, представляли собой только статистическое описание эмпирически накопленной информации и не затрагивали физической сущности процесса резания. Все дальнейшие работы русских ученых направлены по пути исследования физических явлений при резании во всем их многообразии. В 1914 г. появляются выдающиеся исследования Я. Г. Усачева в области стружкообразования и тепловых явлений. Металлографический анализ корней стружек позволил ему выявить ряд новых неизвестных фактов и, в частности, разработать теорию наростообразования, более достоверную, чем господствовавшая в то время теория Тейлора. Особенно ценными являются работы Я. Г. Усачева в области тепловых явлений. Для установления количества тепла, уходящего со стружкой, он применил калориметрический метод, а для определения температуры резания — метод подведенных термопар. Изучая температуру резания, Я. Г. Усачев установил интенсивность влияния на нее глубины резания, подачи, скорости резания, впоследствии подтвержденную аналитическим путем.

Усилиями И. А. Тиме, К. А. Зворыкина, Я. Г. Усачева и др. была создана отечественная школа резания металлов, изучившая коренные вопросы процесса резания и намного обогнавшая зарубежные исследования.

После Великой Октябрьской социалистической революции в нашей стране начинается новый этап в развитии науки о резании металлов. В 1925 г. вышла в свет работа А. Н. Челюсткина о силах резания при точении.

В период 1930—1935 гг. появляется ряд капитальных работ обобщающего характера (В. А. Кривоухова, С. С. Рудника, И. М. Беспрозванного, С. Ф. Глебова, Н. И. Резникова, А. В. Панкина).

Бурное развитие машиностроения в годы первых пятилеток предъявило высокие требования к науке о резании металлов. При Техническом совете Наркомтяжпрома была создана Комиссия по резанию металлов под председательством Е. П. Надеинской в составе А. И. Каширина, В. А. Кривоухова, И. М. Беспрозванного и С. Д. Тишина. Комиссия по резанию, к работе в которой было привлечено более 30 вузов, исследовательских институтов и заводских лабораторий, явилась руководящей и планирующей организацией общесоюзного значения во всей научно-исследовательской работе по резанию металлов. Под началом Комиссии в качестве руководителей отдельных разработок участвовали ведущие специалисты в области обработки металлов резанием, такие как Г. И. Грановский, П. П. Трудов, М. Н. Ларин, А. М. Розенберг, Е. К. Зверев, О. С. Рудник, А. М. Даниелян, Н. И. Резников и др. В течение пяти лет по единой методике экспериментального исследования силовых и стойкостных зависимостей было выполнено около 250 капитальных исследовательских работ. Это позволило разработать совершенные нормативы и руководящие материалы по расчету режимов резания для всех основных видов металлообработки. Такого размаха исследовательской работы в области резания металлов и богатства полученного экспериментального материала не имела ни одна страна в мире. Проведённые работы большого научного значения, вместе с материалами Комиссии по резанию металлов заложили фундамент советской школы резания.

Выдающимся вкладом отечественных ученых этого периода является разработка методов скоростного резания металлов твердосплавными инструментами.

Исследованиями И. Ф. Клокова, П. П. Грудова и др. в период 1937—1940 г. была доказана возможность обработки черных металлов твердосплавными инструментами особой формы со скоростью резания, доходящей до 250—300 об/мин. С 1940 г. на ряде ведущих заводов («Большевике», Кировском, Коломенском и др.) начинают применять резцы и фрезы с пластинками твердых сплавов, работающие на высоких скоростях резания.

Г. И. Грановский, В. А. Шишков, С. С. Петрухин и др. разработали кинематику резания — раздел науки о резании металлов, изучающий принципиальные кинематические схемы резания и действительные (рабочие) геометрические параметры инструментов, определяющие характер стружкообразования, изнашивание и стойкость инструментов. Плодотворно развивается механика процесса резания. Исследователями В. А. Кривоуховым, А. М, Розенбергом, Н. Н. Зоревым, А. И. Исаевым, М. И. Клушиным, М. Ф. Полетикой и др. изучены напряженное и деформированное состояние зоны резания, контактные процессы на передней и задней поверхностях инструмента, силы, действующие на срезаемый слой и инструмент, взаимосвязь внешних и внутренних факторов в процессе резания.

На базе изученных закономерностей механики процесса резания значительное развитие получила теплофизика резания. Совершенствовались как экспериментальные методы исследований (А. А. Аваков, А. М. Даниелян, Д. Т. Васильев и др.), так и теоретические (А. Я. Малкин, А. Н. Резников, П. И, Бобрик и др.). В основу последних был положен исключительно гибкий метод быстродвижущихся источников тепла, позволивший с достаточной для инженерной практики точностью аналитически описать температурное поле инструмента и стружки, теплообмен между стружкой, инструментом и деталью, вычислить среднюю температуру контакта.

Трудами Г. И. Грановского, Т. Н. Лоладзе, Н. Н. Зорева и др. получена новая экспериментальная информация, позволяющая наметить пути количественного описания процесса изнашивания. Известных успехов достигла методика выбора смазочно-охлаждающих жидкостей, оптимальных для конкретных условий работы.

В связи с всё повышающимися требованиями к качеству выпускаемой продукции были выполнены обширные работы по исследованию процесса резания металлическим и абразивным инструментами с тонкими и сверхтонкими стружками. Работами А. Н. Маслова, С. А. Попова, А. В. Подзея, С. Г. Редько, А. А. Маталина и др. были исследованы физические процессы при резании закрепленным и свободным абразивным зерном и состояние поверхностного слоя при шлифовании.

Повышение мощности и быстроходности металлорежущих станков потребовало разработки теории устойчивости процесса резания. В результате исследований А. И. Каширина, Н. А. Дроздова, А. П. Соколовского, Л. К. Кучмы, В. А. Кудинова, В. Н. Подураева была создана теория колебаний при резании металлов, положившая начало расчету металлорежущих станков на виброустоичивость. В последние годы наметились пути использования вынужденных колебаний малой и ультразвуковой частоты для интенсификации процесса резания и обеспечения устойчивого дробления стружки.

Трудами советских ученых создана передовая отечественная школа резания металлов, получившая мировое признание. Отечественную школу характеризует глубокое проникновение в суть физических явлений, происходящих при резании металлов, и использование познанных закономерностей для целей практики.