Г л а в а 1. Краткий исторический очерк развития науки о резании материалов

Вопросы резания материалов привлекают внимание ученых уже более 150 лет. Возможности исследования явлений, возникающих при резании и протекающих в особо сложных условиях, ограничены в каждый данный момент времени степенью разработанности более общих отраслей науки, в первую очередь, металлофизики, химии, теории пластичности, науки о механических свойствах металлов, теории трения и износа.

К моменту зарождения науки о резании металлов техника резания находилась на весьма низком уровне; скорости резания были не более 10 м/мин, так как применялась лишь инструментальная углеродистая сталь.

Наука о металлах также лишь зарождалась. Только в 1868 г. наш соотечественник Д. К. Чернов открыл существование внутренних изменений в твердой стали при ее нагреве выше определенных температур, чем заложил основы современной металлургии и теории термической обработки.

Первые же экспериментальные исследования деформации металлов в пластической области, выполненные французским академиком Треска, были освещены лишь в 1868 г., а первые работы по математической теории пластичности французского ученого Сен-Венана были опубликованы в 1871 г.

Таким образом, наука о резании металлов зародилась одновременно с комплексом смежных отраслей общего учения о металлах.

В 1848–1849 г. французский инженер Кокилье, изучая сопротивление резанию при сверлении стволов артиллерийских орудий, определял работу, затрачиваемую на сверление, в зависимости от размеров площади среза. Ряд опытов провел французский исследователь Жоссель (1864 г.), определявший наивыгоднейшие условия резания и работавший на токарном станке с простейшим динамометром. Эти исследователи ограничивались только фиксацией результатов опытов, не вдаваясь в сущность явлений, их определяющих. Поэтому работы Кокилье и Жосселя не могли служить базой для создания науки о резании материалов.

Основы теории резания металлов были заложены в России в 70–90-х гг. ХIХ столетия. Впервые отечественные экспериментальные исследования процесса резания металлов были произведены профессором И. А. Тиме (1865–1870 гг.), результаты которых были опубликованы в 1870 г. под названием «Сопротивление металлов и дерева резанию». В результате своих исследований И. А. Тиме установил номенклатуру стружек, положение плоскости скалывания, характер деформации срезаемого слоя и влияние различных факторов на деформацию, характер завивания стружки.

И. А. Тиме попытался вывести формулу для подсчета силы резания. Эта формула не пригодна в настоящее время, однако результаты исследования остальных вышеперечисленных факторов имеют значение и в наши дни.

Большой вклад в науку о резании металлов внес русский ученый, профессор Харьковского технологического института К. А. Зворыкин, опубликовавший в 1893 г. труд «Работа и усилие, необходимые для отделения металлических стружек». К. А. Зворыкин предложил схему сил, действующих на резец, с учетом трения на передней и задней гранях резца. С учетом дополнений, сделанных профессором С. С. Рудниковым, эта схема действительна и в настоящее время. К. А. Зворыкин теоретически определил положение плоскости скалывания, им выведено уравнение для подсчета силы резания и экспериментально установлено различное влияние ширины и толщины среза на расход мощности.

Правильность выводов К. А. Зворыкина подтверждена опытами шведского профессора Селлергрена, проведенными на токарном станке в 1896 г.

В этом же 1896 г. наш соотечественник, преподаватель Михайловской артиллерийской академии А. А. Брикс опубликовал свою работу «Резание металлов», в которой впервые обобщил результаты работ русских и зарубежных ученых в области резания металлов. Он отметил, что главную роль при резании металлов играют углы инструмента, и указал на явления, от которых зависит выбор этих углов.

Таким образом, русских ученых И. А. Тиме, К. А. Зворыкина и А. А. Брикса по праву можно назвать основоположниками науки о резании металлов. Они заложили основу механики резания металлов.

Второй этап развития науки о резании металлов совпадает с началом ХХ в. К этому времени в технике металлообработки имелись серьезные сдвиги, так как применение быстрорежущей стали позволило вести обработку на высоких скоростях. Центральное место среди работ второго периода занимают исследования Я. Г. Усачева, результаты которых были опубликованы в 1915 г.

Первые исследования процесса резания металлов развивали теорию резания без учета изменений в физико-механических свойствах обрабатываемого металла, происходящих при его пластической деформации в процессе резания. И. А. Тиме, К. А. Зворыкин и А. А. Брикс создали схему процесса резания, положив в основу представление о неизменности свойств обрабатываемого материала в процессе резания. Поскольку эта схема правильно отражала некоторые существенные особенности реального процесса, она привела к раскрытию части его закономерностей. Однако такой подход к вопросу не дает полного познания природы явления. Освоение закономерностей резания предполагает проникновение в его физическую сущность, что, в первую очередь, требует учета реальных свойств металла в каждой стадии его пластической деформации. Я. Г. Усачев ввел в рассмотрение новые связи, положив начало исследованию влияния скорости резания и температуры в зоне резания на сам процесс резания. Его исследования показали, что свойства обрабатываемого металла в холодном состоянии еще не полностью определяют характер процесса стружкообразования. Свойства металла в процессе резания меняются, причем степень их изменения зависит от интенсивности ведения самого процесса резания, т.е. величины сечения среза и скорости резания. Наблюдаемый в каждом конкретном случае характер процесса стружкообразования есть результат взаимодействия, взаимосвязи и взаимообусловленности большого количества факторов, возникающих при резании. Я. Г. Усачев, таким образом, вышел за рамки исследования только механики деформирующих сил и положил начало разработке физики процесса резания металлов. Он создал оригинальную конструкцию динамометра к токарному станку, впервые разработал методы измерения температур резания и исследовал зависимость этих температур от режимов резания. Зарубежные ученые (Готвейн, Герберт) к вопросу измерения температур на поверхностях инструмента подошли лишь в 1926 г. Я. Г. Усачев впервые применил микроскоп для изучения процесса резания, что позволило ему доказать, что, кроме «плоскости скалывания», имеются «плоскости скольжения». Он создал теорию наростообразования в процессе снятия стружки и указал на увеличение твердости обработанной поверхности (наклеп).

Начало исследования процессов затупления и стойкости режущих инструментов было положено американским инженером Ф. Тейлором в 1905 г. В 1906 г. вышла в свет его книга «Искусство резать металлы». Тейлор открыл ряд важных законов резания, из которых некоторые до сих пор сохраняют свое значение. В отличие от других исследователей, он проводил опыты в условиях, близких к заводской обстановке: снимал крупные стружки на сравнительно больших скоростях резания. Он же впервые исследовал условия, в которых операция резания осуществляется наиболее производительно и экономично.

В 1925 г. вышла в свет работа выдающегося экспериментатора А. Н. Челюсткина о силах резания при точении, которая по ясности и строгости изложения не имела себе равных. Он вывел формулу силы резания, применяемую и в настоящее время.

Период 1935–1941 гг. характеризуется такими научными исследованиями в области обработки металлов резанием, которые по своим результатам составляют целую эпоху. В этот период развернулось стахановское движение, опрокинувшее старые нормативы, тормозившие дальнейшее развитие техники. При Министерстве станкостроения была создана Комиссия по резанию металлов, под руководством которой в течение пяти лет было выполнено около 250 капитальных исследовательских работ по изучению процесса резания для всех видов режущего инструмента и по всем основным материалам, применяемым в машиностроении. Здесь необходимо отметить большие заслуги академиков П. А. Ре-биндера и В. Д. Кузнецова, профессоров И. М. Беспрозванного, В. А. Кривоухова, Н. И. Резникова, Г. И. Грановского, М. Н. Ларина, А. М. Розенберга, С. С. Рудника, А. М. Даниеляна и др.

Существенное влияние на развитие науки о резании металлов оказала и экспериментальная работа рабочих-новаторов: П. Б. Бы-кова, Г. С. Борткевича, В. К. Семинского, В. А. Колесова и многих других.

В этот период исследованию были подвергнуты экономические вопросы резания металлов как при одноинструментальной, так и многоинструментальной обработке. Основы теории этих вопросов были заложены Г. И. Темчиным. Период дальнейшего интенсивного развития теории резания металлов относится к концу 30-х – началу 40-х гг., он продолжается и в настоящее время, связан с широким применением в промышленности металлокерамических твердых сплавов, а затем минеральной керамики, и с развитием на их основе скоростного резания. Решались вопросы, связанные с влиянием геометрии инструмента, режимов резания на процесс стружкообразования, качество обработанной поверхности, силы резания, вибрации системы СПИД (станок – приспособление – инструмент – деталь), на износ и стойкость режущих инструментов. Рассмотрение этих вопросов велось в условиях изменения в широких диапазонах переменных факторов, причем самыми различными техническими способами (микроскопическим, координатной сетки, кинематографическим, рентгенографическим, с помощью радиоактивных изотопов и др.).

Углубление теоретического толкования явлений, наблюдаемых при резании, стало возможным на базе серьезно развившихся физики твердого тела, особенно физической теории пластичности, математической теории пластичности, учения о механических свойствах металлов, теории трения и изнашивания.

Изучение теории резания имеет неоценимое практическое значение, которое, прежде всего, состоит в том, что знание теории освобождает от необходимости слепо следовать устоявшимся рецептам и вооружает необходимыми данными для того, чтобы каж-дую вставшую вновь производственную задачу решать творчески, с учетом всей специфики имеющихся условий, т.е. с достижением наибольшего производственного эффекта.

На современном этапе развития теории резания имеется громадный экспериментальный материал, и познание процессов резания и износа инструментов уже прошло ту стадию, когда было необходимо расчленять методом анализа сложное явление на его элементы и изолированно изучать отдельные стороны процесса; сейчас задача состоит в том, чтобы научно осознать картину сложных процессов стружкообразования и износа инструментов во всей их конкретности, с учетом возможно большего количества взаимодействующих факторов. Научное изучение вопросов резания становится все актуальнее в связи с дальнейшим прогрессом машиностроения и особенно в связи с автоматизацией технологических процессов и разработкой условий эффективного резания новых материалов; применением электронно-вычислительных машин для решения технологических задач, а также в связи с требованиями научного обоснования достижений новаторов машиностроения.