Лекция 1
Предмет курса. Содержание курса.
Краткий исторический обзор: возникновение и развитие отечественной инструментальной промышленности.
Требования к режущему инструменту.
Особенности инструментальной оснастки для станков автоматизированного машиностроения и гибкого автоматизированного производства (ГАП).
Качественные показатели режущего инструмента и технические требования, устанавливаемые стандартами.
Перспективы совершенствования конструкции режущего инструмента.
Предметом изучения данного курса являются металлорежущие инструменты.
В широком смысле инструмент представляет собой орудия, потребляемые человеком при ручной или механической обработке различного рода материалов.
В узком смысле инструмент – та часть металлорежущего оборудования, которая непосредственно изменяет форму обрабатываемой заготовки (детали).
Во всем многообразии инструментов можно выделить лишь несколько основных групп:
Инструменты резания:
лезвийные,
абразивные,
Инструменты давления:
раскатники,
ролики,
плашки,
шарики.
Инструменты для таких специальных видов обработки, как:
электроимпульсной,
электроискровой,
ультразвуковой размерной обработки и др.
В данном курсе будут рассмотрены вопросы проектирования инструментов резания.
В процессе изучения курса будут освещены такие вопросы, как:
инструментальные материалы;
абразивы, алмазы, сверхтвердые инструментальные материалы и инструменты из них;
геометрические и конструктивные особенности (элементы) основных видов режущих инструментов;
инструменты для автоматизированного производства;
вопросы автоматизированного проектирования режущих инструментов.
Побудительным мотивом для написания данного конспекта лекций явилось недостаточное количество лекционных часов (17 час), предусматриваемое «Рабочей программой по дисциплине «Режущий инструмент» для специальности 150100 – технология машиностроения», при значительном времени на самостоятельное изучение теоретического материала. Некоторые темы по проектированию конкретных видов режущего инструмента приходится преподнести «скороговоркой», когда у студента просто нет времени законспектировать важную для него информацию. Кроме того, учитывается тот факт, что за последние 5 лет не был издан учебник по данной дисциплине, в котором были бы даны обобщенные идеи проектирования наиболее часто применяемых режущих инструментов.
Одной из предпосылок создания материально-технической базы различных отраслей народного хозяйства является успешное развитие машиностроения.
Особая роль в деле оснащения народного хозяйства новейшей техникой принадлежит станко-инструментальной промышленности. Можно сказать, что станко-инструментальная промышленность является ведущим началом во всем машиностроении, это база машиностроения, без которой невозможна нормальная работа любой отрасли машиностроения. Индустриализация страны немыслима, если страна не будет иметь развитой станкоинструментальной базы.
Значительное повышение технического уровня и конкурентоспособности металлообрабатывающего оборудования требует необходимость повышения эффективности использования станков с ЧПУ, совершенствования системы их инструментообеспечения. Это достигается при сведении к минимуму подготовительно-заключительного времени технического обслуживания станков, затрачиваемого на замену или переналадку инструмента и приспособления. С этой целью станки с ЧПУ оснащаются вспомогательным и специальным инструментом, обладающим повышенной жесткостью и точностью, обеспечивающим быстросменность и предварительную настройку на размеры обработки.
В соответствии с задачами, стоящими перед машиностроением и металлообработкой, в развитии режущих инструментов можно выделить следующие основные тенденции:
Расширение номенклатуры инструмента, главным образом за счет освоения наиболее прогрессивных конструкций и повышения качества выпускаемого инструмента;
Расширение номенклатуры инструментов для станков с ЧПУ , в том числе не только режущего, но и взаимозависимого вспомогательного;
Использование систем агрегатно-модульного инструмента в связи с расширением технологических возможностей обрабатывающих центров и гибких автоматических систем и станков с ЧПУ;
Производство инструмента общего назначения, главным образом сборного с механическим креплением твердосплавных многогранных неперетачиваемых пластин с износостойкими покрытиями, что обеспечивает увеличение стойкости инструмента в 2-3 раза, или при этой же стойкости – увеличение скорости резания до 2-х раз;
Улучшение качества режущей минералокерамики за счет улучшения физико-механических свойств: прочности при изгибе, кромкостойкости и стойкости к тепловым ударам. Это может быть достигнуто путем улучшения качества исходного сырья и обеспечения более мелкозернистой структуры, получаемой горячим прессованием. Кроме того появилась керамика нового класса на основе нитрида кремния (SiN), отличающаяся более высокой прочностью при изгибе и стойкостью к знакопеременному нагружению;
Расширение номенклатуры инструментов из сверхтвердых инструментальных материалов (СТМ), в том числе инструмента с двухслойными пластинами стандартных размеров с верхним слоем из поликристаллов алмаза или кубического нитрида бора на вязкой твердосплавной основе (группа ВК) и специальном переходном слое – связке, обеспечивающем твердое соединение сверхтвердого материала с основой.
Успешное выполнение этих задач будет способствовать успешному выполнению народнохозяйственных планов.
Инструменты появились на самой ранней стадии развития человеческого общества. Были они каменные и предназначались для ручной обработки. 800 тыс. лет назад появилось первое орудие труда – шелльское рубило, которое представляло собой грубо обтесанный кусок кремня или кварцита миндалевидной формы. Возможности этого инструмента были ничтожными. Понадобились тысячелетия, чтобы в результате опыта поколений появились более совершенные ашелльские орудия: овальные, круглые и утолщенные рубила, иногда с вытянутым кинжаловидным концом. Затем в истории человечества появляются новые орудия - остроконечник, скребло, резцы, наконечники, иголки, топоры, кинжалы, долота, серпы, напильники.
Изобретя орудия труда, человек расширил свои возможности целенаправленного воздействия на природу, т.е. нашел предметного посредника и заставил объекты внешнего мира действовать друг на друга, оставив за собой роль координатора этого воздействия.
Каменные орудия были хрупкими, часто ломались. Во в 2-3-м тысячелетии до н.э. на смену камню пришли медь, олово и бронза. Орудия из бронзы были прочными, но не твердыми, не острыми. Пришедшее на смену железо позволило создать орудия такой прочности, твердости и остроты, что вытеснило бронзу и камень. Появление орудий труда положило начало историческому процессу разрешения противоречия между физической ограниченностью человека и необходимостью преобразовывать природу.
Многие каменные топоры, сделанные в эпоху неолита, имеют круглые отверстия со следами обработки сверлением. Сверлили круглой палкой, подсыпая под нее песок. Сперва палку крутили между ладонями, а после изобретения лука появился «лучковый привод». Это и был первый станок, возраст которого ненамного меньше возраста самого человека.
На смену ремесленному производству (в средневековый период) пришел мануфактурный, который характеризовался разделением труда. А это вызвало появления большого разнообразия для одного и того же инструмента. В недрах ремесленного производства именно инструмент явился предпосылкой для возникновения машин.
К. Маркс в своем труде «Капитал» (1855 г.), анализируя роль и значение инструмента, говорит: «Каждая развитая совокупность машин состоит из трех существенно различных частей:
машины-двигателя,
передаточного механизма,
наконец, машины-орудия или рабочей машины.
Обе эти (первые) части механизма существуют только затем, чтобы привести в движение рабочую машину, благодаря чему последняя захватывает предмет труда и целесообразно его изменяет.
Промышленная революция в 18 веке исходит как раз от этой части машины – от рабочей машины (или инструмента, как сказали бы мы сейчас).
«Как бы прост и незначителен на первый взгляд ни казался этот придаток к станку, мы думаем, что без преувеличения можно сказать, что его влияние на усовершенствование и распространение машин было… велико.
Введение его разом привело к усовершенствованию и удешевлению всяких машин и дало толчок к новым изобретениям и усовершенствованиям».
Этот гениальный прогноз оправдывается. На ряде примеров можно показать, как усовершенствование инструментов, изобретение новых их видов неизменно влечет за собой новые конструкции металлорежущих станков. Например, появление инструментов с твердосплавной режущей частью повлекло за собой появление новых быстроходных станков с жесткой системой СПИД (станок – приспособление – инструмент – деталь). Появление инструментов для нарезания зубчатых колес таких, как червячная фреза, привело к созданию специального зуборезного станка, работающего методом обкатки.
Взаимодействие между инструментом и станком подчиняется известному закону диалектики: и тот и другой выступают как противоположности, взаимодополняющие и взаимообусловливающие друг друга.
Разрешение противоречия между ними и приводит к прогрессу: техническое развитие происходит при обоюдном воздействии друг на друга обеих сторон.
Три фактора:
станок,
инструмент,
технологический процесс составляют неразрывное целое, и только при комплексном их разрешении возможно увеличение производительности труда.
Развитие тяжелого станкостроения привело к созданию новых конструкций крупногабаритных инструментов. Разработка и использование в машиностроении автоматических линий потребовало разработки инструментов с высокой размерной стойкостью. В результате был разработан инструмент с обновляющейся в процессе резания режущей кромкой, с автоматической подналадкой, с настройкой на размер вне станка, а также устройства для автоматической замены износившегося инструмента в процессе работы линии.
Необходимо отметить большой вклад русских ученых в развитие станкоинструментальной промышленности: это замечательный механик Андрей Нартов, который в 1712 году впервые в мире создал станок с механическим суппортом; это выдающиеся ученые И.А. Тиме, К.А. Зворыкин, Я.Г. Усачев, А.А. Брикс, которых можно по праву назвать основоположниками науки о резании металлов; это советские ученые В.А. Кривоухов, Г.И. Грановский, И.И. Семенченко, Г.Н. Сахаров и многие другие, которые являются создателями науки о резании металлов; это новаторы производства Г.Н. Борткевич, П.Б. Быков, Колесов и др., которые внесли значительный вклад в решение вопросов конструирования и технологии изготовления режущего инструмента.
Инструментальное производство в СССР в силу сложившихся исторических условий развивалось по двум направлениям:
Первое направление – организация специальных инструментальных заводов, поставляющих на рынок нормализованный инструмент;
Второе направление – организация внутризаводского производства, сосредоточенного в собственных инструментальных цехах.
До Октябрьской революции в России инструментальной промышленности не существовало (функционировали Тульский, Путиловский, Коломенский, Златоустовский заводы): до 100% всего потребляемого инструмента ввозилось из-за границы. Перед молодым советским государством встал вопрос: «Ввозить ли дорогостоящий инструмент из-за границы или создать на каждом машиностроительном предприятии наряду с производственными и инструментальные цеха?» Был выбран второй вариант.
Первенцем среди специализированных инструментальных заводов был организованный в 1919 году Московский инструментальный завод (МИЗ). Сейчас этот завод выпускает нестандартный инструмент, протяжки, специальные фасонные фрезы, трубонарезной инструмент, зуборезный инструмент.
В период восстановления народного хозяйства вступили в строй ряд специальных инструментальных заводов:
Сестрорецкий завод им. Воскова (1930 г.),
комбинат им. Ленина в Златоусте,
напиловочные заводы в Миассе и Ворошиловграде,
в 1932 г. организован завод «Фрезер» им. Калинина в Москве.
Сейчас он выпускает
большую номенклатуру сверл
0,1…80 и кольцевые, червячные фрезы
m=0,2…36, метчики, резьбонарезные
и резьбонакатные головки для автотракторной
промышленности.
В настоящее время в России насчитывается свыше 20 специализированных заводов. Более 40 специализированных инструментальных заводов, введенных в эксплуатацию до 1985 года, после 1991 года, когда бывшие союзные республики СССР получили независимость, стали собственностью этих республик (например, Оршанский завод сверл – Белоруссия, Фрунзенский завод сверл – Киргизия, Полтавский завод алмазных инструментов – Украина и др.).
Серьезное внимание обращено на подготовку инженеров для инструментальной промышленности, научно-исследовательских работ в области резания металлов, расчета и конструирования режущих инструментов и технологии их изготовления.
В 1930 году создан Московский инструментальный завод (Мосстанкин). В этот и последующие периоды была начата подготовка инженеров, специализирующихся в области станкостроения и инструментального производства в ряде вузов страны.
Созданы ряд научно-исследовательских институтов в этой области:
ВНИИ инструментов,
ВНИИАШ-НИИ абразивов и шлифоввания
Станкинпром,
ВНИИТС – тугоплавких металлов и твердых сплавов и др.