Развитие науки о резании металлов
Обработка резанием является и на многие годы останется основным технологическим приемом изготовления точных деталей машин и механизмов. Трудоемкость механосборочного производства в большинстве отраслей машиностроения значительно превышает трудоемкость литейных, ковочных и штамповочных процессов, взятых вместе. Обработка резанием имеет достаточно высокую производительность и отличается исключительной точностью. Нужно также учитывать универсальность и гибкость обработки резанием, обеспечивающие ее преимущество перед другими методами формообразования, особенно в индивидуальном и мелкосерийном производствах.
Основная трудность, с которой сталкиваются при обработке резанием, это чрезмерно большие припуски, оставляемые на обработку, вследствие невысокой точности литых, кованых и штампованных заготовок. Это удорожает процесс механической обработки и усложняет дробление, уборку и транспортировку стружки. По мере совершенствования методов обработки без снятия стружки некоторые операции механической обработки отпадут, а трудозатраты на другие сократятся в связи с уменьшением припуска. Изменится и качественный состав операций: уменьшится объем простых высокопроизводительных обдирочных операций и увеличится объем сложных трудоемких финишных операций. Однако значительного сокращения объема обработки конструкционных материалов резанием ожидать нельзя, так как с каждым годом усложняются конструктивные формы деталей и возрастают требования к точности и качеству их изготовления.
Все большее применение находят труднообрабатываемые конструкционные материалы (высокопрочные, жаростойкие и жаропрочные стали и сплавы), имеющие низкую обрабатываемость резанием, что также повышает трудозатраты при обработке. Совершенствование существующих и создание новых методов и практических приемов обработки металлов резанием невозможно без использования достижений науки о резании металлов, которая является базой для этой отрасли технологии машиностроения. При проектировании технологического процесса изготовления деталей необходимо оценить эффективность созданного процесса, показателями которой являются качество изготовляемых деталей, надежность функционирования процесса и его производительность и себестоимость.
Если не опираться на теоретические основы процесса резания металлов, то невозможно ни спроектировать научно обоснованный технологический процесс, ни дать оценку его эффективности. Производительность и себестоимость технологического процесса определяются временем, которое затрачивается на выполнение отдельных операций, и зависит от установленных на них режимов резания. Сознательное назначение режима резания невозможно без знания основных законов производительного резания, базирующихся на процессах, происходящих в зоне деформации и на контактных поверхностях инструмента. Качество выпускаемых деталей определяется точностью их геометрических, форм и шероховатостью обработанной поверхности. При определенной жесткости детали макрогеометрические погрешности формы зависят от величины и направления сил, действующих в процессе обработки. Таким образом, при точностных расчетах, базирующихся на жесткости технологической системы (станок - приспособление - инструмент - деталь), нужно уметь определять силы резания и знать, от чего зависят их величины и направления действия. Погрешности формы детали, вызванные разогреванием детали и инструмента, можно рассчитать, зная температуру детали и инструмента, для чего необходимо иметь сведения о тепловых явлениях, сопутствующих превращению срезаемого слоя в стружку. Надежность функционирования технологического процесса определяется возможными отказами по точности обработки и стойкости инструмента. Анализ возникновения отказов и установление путей их устранения возможны на основании изучения характера изнашивания инструментов и статистической теории их стойкости.
Проектирование металлорежущих инструментов начинается с выбора геометрических параметров: переднего и заднего углов, углов в плане, угла наклона винтовой канавки и т. д. Оптимальные величины указанных углов, при которых период стойкости инструмента максимален, определяются физическими процессами, происходящими на контактных поверхностях инструмента, без знания которых невозможно дать научно обоснованных рекомендаций по установлению численной величины оптимальных углов. Для повышения долговечности инструмента большое значение имеет правильный выбор инструментального материала в зависимости от рода обрабатываемого материала и условий работы. Поскольку износостойкость, пластическая и хрупкая прочности инструмента зависят от особенностей контактирования пары - материал инструмента и обрабатываемый материал и; величины и распределения контактных напряжений, то выбор материала инструмента производят на основании изученных закономерностей контактных процессов. Для установления критерия затупления при эксплуатации инструментов и величины допустимого износа необходимо знать физическую природу и количественные закономерности изнашивания.
При проектировании металлорежущих станков задают диапазоны изменения подачи, числа оборотов шпинделя и эффективную мощность станка. Выбор этих параметров производят на основе рациональных режимов резания при одноинструментной и многоинструментной обработке. Расчеты на прочность, жесткость и долговечность отдельных деталей и узлов станка, на виброустойчнвость станка осуществляют, используя силовые и динамические закономерности процесса резания. Эти закономерности также нужны при проектировании адаптивных систем.
Применение в машиностроении новых труднообрабатываемых конструкционных материалов, повышение уровня автоматизации металлорежущих операций и создание самонастраивающихся систем, повышенные требования к точности н качеству обработки ставят перед наукой о резании металлов ряд проблем. Например, резание труднообрабатываемых материалов показало необходимость иного подхода к назначению режимов резания, чем традиционный. Резание пирофорных и ядовитых материалов предъявляет новые требования к выбору схемы обработки, режима резания, конструкции инструмента. Для обработки конструкционных материалов в космосе требуются новые методы, так как исключительно высокий вакуум разрушает окисные пленки и приводит к свариванию, сверл, метчиков и других инструментов с деталью. При разработке самонастраивающихся систем и программного управления процессом резания на автоматических станках и линиях необходимо математическое описание влияния условий резания на основные характеристики процесса резания. Количество подобных проблем весьма велико. Важнейшей задачей теоретического плана является замена эмпирических формул для расчета сил и скоростей резания физическими формулами, использующими механические и теплофизические свойства обрабатываемого и инструментального материалов и характеристики процесса резания. 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. Исследователи ограничивались только фиксацией полученных результатов, не вдаваясь в сущность явлений, их определяющих. Поэтому работы Кокилье, Жосселя и Кларинваля оказались бесплодными в научном отношении и не могли служить базой для создания науки о резании металлов.
Краткая история развития науки о резании металлов
Как операция, обработка материалов резанием известна уже более трех тысяч лет. Первые примитивные станки для обработки резанием, приводившиеся в движение человеком, применялись уже в древнем Египте.
Станки с водяным приводом для сверления стволов использовались в 18 в. на тульских оружейных заводах. Время сверления составляло 38 – 48 часов. В Петербурге для такой же операции использовали лошадей (24 лошади при сверлении одного ствола). В начале 18 в. замечательным русским изобретателем Андреем Константиновичем Нартовым (он работал в токарне Петра I) был создан самоходный суппорт и прообраз современного токарного станка. Станки А.С.Нартова, созданные в 1712 – 1729 гг., сохранились до нашего времени в Санкт-Петербургском музее «Эрмитаж», в Парижском национальном музее искусства и ремесел, в Венском музее.
В 1794 г. 23-летний англичанин Г. Модсли создал суппорт, который с помощью винтов перемещался в двух направлениях (крестообразный суппорт). Шедевром стала созданная Модсли станочная автоматическая линия для обработки деревянных корабельных блоков.
В 19 в. в качестве привода стала использоваться паровая машина, созданная Джеймсом Уаттом. Одной из самых больших трудностей в изготовлении этой машины оказалась расточка отливок цилиндров. Эта проблема, в конечном счете, была решена, когда Джон Уилкинсон изобрел горизонтально-расточной станок, что позволило Дж. Уатту перейти к промышленному производству паровых машин. Обработка металлов резанием в том виде, в каком она нам известна теперь, начинается с внедрения этого станка. Исследование же физики явления резания металлов началось спустя почти 100 лет, т.е. резание металлов – относительно молодая наука.
В России основоположником научного резания металлов является профессор Петербургского горного института Иван Августович Тиме, который во второй половине 19 в. на Луганском заводе исследовал все важнейшие вопросы стружкообразования пластичных и хрупких материалов.
Дальнейшее развитие теория резания получила в работах проф. Константина Алексеевича Зворыкина, который в 1893 г. выявил систему сил, действующих на контактных поверхностях инструмента. Схема сил, предложенная К.А. Зворыкиным, с дополнениями, сделанными проф. С.С. Рудником, действительна и в настоящее время.
Новое направление в исследовании процесса резания металлов было создано мастером-механиком Петербургского политехнического института Яковом Григорьевичем Усачевым в начале 20 в. Если И.А.Тиме и К.А.Зворыкин – основоположники механики процесса резания, то Я.Г.Усачев- основоположник физики резания металлов. Он впервые применил микроскоп для изучения процесса резания металлов, что позволило ему доказать существование кроме «плоскости скалывания» еще и «плоскость скольжения». Я.Г.Усачев первый разработал методы измерения температур на поверхностях резца и экспериментально определил зависимость температуры от основных параметров режима резания; он создал теорию наростообразования, установил явление наклепа обработанной поверхности.
Важнейшей теоретической задачей в настоящее время является замена эмпирических формул для расчета сил и скоростей резания физическими формулами, использующими механические и теплофизические свойства обрабатываемого и инструментального материалов и характеристики процесса резания.
Процесс резания металлов
Теория резания рассматривает физические основы резания, вопросы пластической деформации металлов, трения, износа инструментов и методы повышения их стойкости, вопросы теплообразования, применения смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ), влияние геометрических параметров инструментов на процесс резания, правила выбора режима резания, вопросы качества обработки, вибрации и др.
Основоположниками науки о резании металлов являются, русские ученые И. А. Тиме (1838—1920), К.А. Зворыкин (1861—1928) и Я. Г. Усачев (1873—1941).
Профессор Петербургского горного института И. А. Тиме в 1870 г. в труде «Сопротивление металлов и дерева резанию» изложил основные закономерности процесса образования стружки.
К. А. Зворыкин н Я. Г. Усачев выполнили научные исследования процессов резания, имеющие большое практическое значение для производства. Значительный вклад в науку о резании металлов и ее практическое .применение внесли советские ученые В. Н. Кривоухов, Г. И. Грановский. В.Д. Кузнецов, В.Ф. Бобров, А.И. Каширин, Е. П. Надеинская, А. И. Исаев и другие, заслуги которых признаны мировой наукой.
Скоростное резание металлов впервые получило развитие в СССР. Еще в 1936—1937 гг. советские исследователи впервые в мировой практике провели научные исследования скоростного резания металлов.
Лауреаты Государственных премий известные мастера скоростного резания Г. С. Борткевич, Н. В. Поляков, А. П. Марков, Л. Б. Быков, С. М. Бушуев и другие многое сделали для внедрения в производство скоростного резания.
Процесс резания металлов заключается в срезании с заготовки поверхностного слоя для получения детали нужной формы, требуемых размеров и качества обработанной поверхности. Срезаемый слой металла называется стружкой. Обработка резанием является наиболее важным процессом в машиностроительном производстве и применяется при изготовлении почти любой продукции. Даже в случае, если
Рис. 1. Схема процесса точения
процессы резания не используются в основном производстве, они используются косвенно при изготовлении технологической оснастки и при ремонте оборудования.
Основными видами обработки резанием являются точение, фрезерование, сверление, строгание, шлифование и др. Различные виды обработки или их сочетание выполняются на металлорежущих станках: токарных, фрезерных, сверлильных, шлифовальных, строгальных, протяжных, агрегатных и специальных и на автоматических линиях с помощью различных инструментов — резцов, сверл, фрез, протяжек, шлифовальных кругов и др.
При изучении теории резания принимают за основу обработку на токарных станках—точение, а в качестве инструмента—токарный резец. Для осуществления процесса точения необходимо иметь два движения: главное движение — вращательное движение заготовки V (рис. 1) и перемещение заготовки—движение подачи S. Скорость главного движения определяет скорость резания, движение подачи обеспечивает непрерывное врезание инструмента в новые слои металла заготовки.
История науки о резании металлов
Обработка металлов резанием как основной технологический прием изготовления точных деталей. И.А. Тиме - основоположник науки о резаниИ. Последователи Тиме и их вклад в развитие науки о резаниИ. Развитие машиностроения и науки про резание металлов в СССР.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | доклад |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 03.05.2011 |
| Размер файла | 22,7 K |
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Обработка металлов резанием является и на многие годы останется основным технологическим приемом изготовления точных деталей машин и механизмов.[3]
Первый этап
Основоположником науки о резание является русский ученый И.А. Тиме профессор Петербургского горного института. Он провел систематизованные исследования стружкообразования и создал схему процесса стружкообразования с его математическим описанием. Фундаментальным учением в науке резания считается исследовательская работа И.А. Тиме “Сопротивление металла и дерева резанию”, опубликованная в 1870 году на Луганском заводе. В этой книге изложены результаты опытов по срезанию стружек и теория процесса резания. И.А. Тиме впервые дает определение процесса резания, приводит классификацию стружек, объясняет явление усадки стружки (изменение размера в результате пластического деформирования), доказывает, что толщина и ширина срезаемого слоя по-разному влияет на работу резания. На основании экспериментальных исследований установлена зависимость между силой резания и размерами срезаемого слоя, показана периодичность процесса стружкообразования и “угол действия” при отделении элемента стружки. Им учитывалось волокнистое строение древесины и предложено рассматривать торцовое, продольное и поперечное резание.[2]
Второй этап
Новым этапом в науке о резание являются работы последователей исследования И.А. Тиме П.А. Афанасьев и А.В. Гадолин. В 1886 г. Выходит книга П.А Афанасьева “Курс механической технологии дерева”, в которой при анализе процесса стружкообразования использованы методы науки сопротивления материалов. В книге уточняется форма эпюры давлений стружки на резец. П.А. Афанасьев впервые указывает на роль трения в процессе резания.[2]
В отличие от И.А. Тиме П.А. Афанасьев считал, что давление обрабатываемого материала на переднюю поверхность распределено неравномерно, и что наибольшее давление имеет место у режущей кромки, а в точке входа в материал оно равно нулю.
Теории Тиме нашли последующее развитие в роботах К.А.Зворыкина в книгах “Работа и усилие для отделения металлических стружек” и “Курс механической технологии дерева” (1894 г.) В своих работах К.А. Зворыкин делает попытку выяснить влияние площади сечения стружки на усилие резания при постоянной толщине и переменной ширине стружки. Результаты опытов показали, что работа резания пропорциональна объему снятых стружек, следовательно, сила резания изменяется пропорционально ширине стружки. Совсем другие результаты получились, когда сечение стружки изменялось только за счет толщины ее. Работа резания изменялась непропорционально толщине стружки. К.А. Зворыкин отмечает, удельная работа резания “не есть величина постоянная, а, напротив, переменная и уменьшается с увеличением толщины стружки”. На основе этого К.А. Зворыкин предложил формулу для расчета удельной силы резания. Предложенная им формула для определения удельной силы была подтверждена всеми последователями и в принципиальной форме сохранилась посейчас.
До 1905-1910 ставятся проведенные Н.Н. Савимным первые опыты исследования влияния смазочно-охладительных жидкостей на процесс резания, а также изучение тепловых явлений при резание. Более совершенный анализ физической сущности процесса резания металлов был произведен Я.Г. Усачевым, который впервые применил металлографический метод для исследования процесса резания. Изучая температуру резания, Я.Г.Усачев разработал ряд конструкций термопар, применение которых дало возможность дало возможность определить так называемое температурное поле резца. Также он установил, что точность исследования процесса резания зависит от уровня средств измерения. Значительное развитие методов и средств измерения получило в работе Якова Григорьевича Усачева “Явления, происходящие при резании металлов”. Он изучал процесс резания металлов при промышленных скоростях, фотографируя обработанные поверхности и поверхность стружки через микроскоп. Силу резания измерял сконструированным им механическим динамометром. Для определения температуры поверхности резца использовал термопару. При этом для измерения количества тепла в срезанной стружке он использовал калориметр, в который сбрасывал стружку сразу после ее отделения[2].
В этот период в развитие практики резания металлов большой вклад сделали русские механики-изобретатели XVIII столетия. Русский махание А.К. Нартов впервые изобрел текарский верстат с механическим суппортом. Более существенный вклад в развитие верстатосроени XVIII столетия внес механик-изобретатель М.В. Сидоров-Красильников и Я. Батыщев, которые создали многошпиндельный верстат для обработки стволов ружей. М.В. Ломоносов изобрел сферотокарный верстат, на котором обрабатывал металлические сферические зеркала.
В конце XIX столетия за изучением процессов резания взялся 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. Второй этап развития науки о резание был выделен благодаря созданию отечественной школы резания в этот период, которая изучала коренные вопросы процесса резания и намного обогнала заграничные исследования[3].
Третий Этап
После Великой Октябрьской социалистической революция в СССР начинается новый этап в развитие науки про резание. В 1925 г. выходит в свет работа А.Н. Челюскина “Влияние размеров стружки на усилие резания металлов”, которая, по словам автора, является “результатом критической обработки главнейших сочинений, относящихся к вопросу резания металлов на станках, а также собственных изысканий и опытов автора в этой области”. А.Н. Челюскин цифрами и графиками подтвердил неодинаковое влияние ширины и толщины срезаемого слоя на силу резания. Работы А. Н. Челюсткина сыграли большую роль в критике формалистического направления в теории резания металлов, получившего название «немецкой школы» резания.
В годы первой пятилетки активно развивается машиностроение, что есть основой индустриализации страны. Это развитие предъявляло высокие требования к науке про резание металлов. При Техническом совете Наркомтяжпрома была создана Комисия по резанию металлов под управлением Е.П. Наденским в составе Л.И. Каширина, В.А. Кривоухова, И.М. Беспрозванного и С.Д. Тиша. Комисия по резанию, к работе которой было привлечено больше 30 ВУЗов, исследовательских институтов и заводских лабораторий, стала руководственной и планирующей организацией всесоюзного значения во всех научно-исследовательских работах резания металлов. На протяжение пяти лет по единой методике было выполнено около 250 капитальных исследовательских работ. Это позволило разработать основные нормативы и руководящие материалы по расчетам режимов резания для всех основных видов металлообработки. Появляется ряд работ большого научного значения, которые вместе с материалами Комиссии по резанию металлов заложили фундамент советской школы резания.
Важное значения для развития науки о резание имели достижения отечественных ученых этого периода в разработке методов скоростного резания металлов твердосплавными инструментами. В 1937-1940 годах была доказана возможность обработки черных металлов твердосплавными инструментами особой формы со скоростью резания, которая доходила до 250-300 об/мин. С 1940 года на некоторых заводах начинают применять резцы и фрезы с пластинками твердых сплавов, которые работают при высоких скоростях.
В годы Великой Отечественной войны ученые все силы бросили на решение ряда практических заданий, которые повышают продуктивность работы и качество продукции оборонной промышленности. В довоенный период преобладали экспериментальные методы изучения процессов резания, дальше они сочетались с аналитическими. Для изучения разных сторон процесса резания широко используются высокоскоростная киносъемка, поляризационно-оптический метод, метод радиоактивных изотопов рентгеноскопия и электроноскопия, сканирование. Большой экспериментальный материал, накопленный в результате проведенных исследований, позволил приступить к разработке общей теории процесса резания. Г.И. Грановский, В.А. Шишков, С.С. Петрухин и другие разработали кинематику резания - раздел науки про резание металлов, которая изучает принципиальные кинематические схемы резания и действительные геометрические параметры инструментов, которые определяют характер стружкообразования, износа и стойкость инструментов.
Наименьшей математизации поддалась теория износа инструментов, что объясняется исключительной сложностью физических процессов, которые проходят на контактирующих поверхностях инструмента в условиях высоких давлений и температур, которые имеют место при резание.
В этот период получила развитие также теория обрабатываемости металлов и сплавов. Наряду с разработкой новых ускоренных методов определения обрабатываемости были получены ценные сведения про влияние химических, механических, теплофизических и структурных свойств материалов на допустимую скорость и сил резания. В связи со всеми требованиями, которые повышаются, к качеству выпускаемой продукции, была выполнена большая работа по исследованию процесса резания металлическими и абразивными инструментами с тонкими и сверхтонкими стружками. Роботами Л.Н. Маслова, А.В. Подзея, С.Г. Редько, А.Л. Маталина и др. были исследованы физические процессы при резание закрепленным и свободным абразивным зерном и состояние поверхностного слоя при шлифование. Наряду с разработкой теорий процесса резания выполнено большое количество работ практического характера, результаты которых успешно внедрены в машиностроительную промышленность. Были разработаны оптимальные геометрические параметры инструментов и режимов резания при обработке труднообрабатываемых и высокопрочных материалов, созданы новые методы обработка фасонных зубчатых профилей и резьб, разработаны методы обработки инструментами с самовращающимися резцами[3].
Четвертый этап.
В период с 1960 года до наших дней в машиностроении широко стала применяться автоматизация технологических процессов. Созданы и внедрены в практику новые конструкционные и инструментальные материалы, а также синтетические материалы, которые работают в агрессивных средах, при высоких температурах. Внедрены новые методы и режимы резания для обработки жаропрочных, тугоплавких сплавов, труднообрабатываемых материалов. Опережающее развитие получает станкостроение, в особенности производство станков с ЧПУ, обрабатывающих центров и гибких производственных систем. В связи с этим предъявляются высокие требования к уровню технологических процессов, обоснованному выбору характеристик инструмента и режимов обработки. В этот период началась разработка методов вибрационного и ультразвукового резания при автоматизированной обработке деталей, гидромеханическое резание крупногабаритных деталей и обработке алмазным инструментом. Новый подход к познанию закономерностей процесса резания описал в работе «Теория резания. Вводные главы» в 1975г. М.И.Калужин. Он отмечает, что стружкообразование, изнашивание режущего инструмента и создание поверхностного слоя на заготовке совершаются одновременно и тесно взаимосвязаны. Это в совокупности составляет единое целое, характеризуется взаимозависимостью его частей и называется системой резания, которая является подсистемой замкнутой динамической системы станка. Одним из основных направлений развития технологии машиностроения является расширение областей применения абразивной обработки заготовок. Из общего парка металлорежущих станков 20-22 процентов станков работают с использованием абразивного и алмазного инструмента; для станков-полуавтоматов и автоматов эти цифры значительно выше - 30- 33 процентов. В автомобильном, подшипниковом, инструментальном производстве доля станков для абразивной обработки составляет 50-60 процентов. Созданы станки с ЧПУ и многоцелевые центры для абразивной обработки. Наряду с развитием станков, инструментальных материалов проводятся также работы по усовершенствованию заточки режущих инструментов. Так, В ЭНИМСе под руководством Э.Я. Градзинского и Л.С. Зубатовой разработан алмазно-эрозионный метод шлифования, при котором процесс микрорезания совмещен с электроэрозионной правкой кругов, проводимой непосредственно в рабочей зале или вне ее. Это опубликовано в статье «Алмазно-эрозионная заточка торговых фрез» в журнале «Станки и инструменты»(1993г.).Вид алмазной обработки имеет большое значение в общем комплексе мероприятий, направленных на повышение эффективности механической обработки. Шлифование твердосплавных режущих инструментов и доводка инструмента из быстрорежущей стали является одной из основных областей применения алмазных инструментов[1].
Литература
резание металл наука
3.Бобров В.Ф. Основы теории резания металлов. - М.: Машиностроение, 1975.
4. Резание металлов. Учебник для машиностроительных и приборостроительных спец. вузов. Авторы: Г.И.Грановский, В.Г.Грановский.(М.: Высш. шк., 1985).
Резание металлов
Этапы развития науки о резании металлов. Создание схемы процесса стружкообразования с его математическим описанием И.А. Тиме. Труд А.К. Челюсткина "Влияние размеров стружки на усилие резания металлов". Применение твердосплавных инструментов и алмазов.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | контрольная работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 07.12.2010 |
| Размер файла | 20,1 K |
Обработка металлов резанием была известна в глубокой древности и осуществлялась сначала вручную, а затем с помощью приспособлений, значительно усиливающих действие режущего инструмента. Первые токарные и сверлильные станки с вращательным движением от водяного колеса появились лишь в XIV--XVI вв. В процессе работы на токарном станке рабочий держал резец в руках и перемещал его в требуемом направлении, в соответствии с формой обрабатываемой поверхности. Необходимо было иметь на станке механизм, который держал бы резец и заменил бы, таким образом, руку человека. Так в начале XVIII в. (а именно в 1712 г.) талантливым русским механиком А. К. Нартовым (1680--1756) впервые был сконструирован и применен в токарном станке суппорт, перемещающийся вдоль обрабатываемой детали при помощи зубчатого колеса и рейки. А. К. Нартов не только усовершенствовал токарный станок, но и создал ряд станков оригинальной конструкции (винторезный, токарно-копировальный, зуборезный и др.). Применение суппорта позволило использовать машинный инструмент, создать высокопроизводительные, многоинструментальные станки, позволяющие изготовлять различные детали машин с высокой степенью точности и скоростью. К числу выдающихся станкостроителей следует отнести М. В. Сидорова, создавшего в 1714 г. на Тульском оружейном заводе станки для сверления оружейных стволов («вододействующие машины»). В середине столетия гениальный русский ученый М. В. Ломоносов изобрел сферотокарный станок для обработки металлических зеркал, построил лоботокарные и шлифовальные станки. Резание - один из старейших методов обработки металлов. Уже в XVII веке в России применялись токарные и сверлильные металлорежущие станки простейшей конструкции. Началом изучению процесса резания было положено в середине XIX века, когда возросла потребность в производительности обработки металлов резанием в связи с развитием железнодорожного и водного транспорта.
Первый этап развития науки о резании металлов. Основоположниками науки о резании являются русские ученые. Первый фундаментальный труд о процессе резания принадлежит русскому ученому Петербургского горного института И. А. Тиме. Он провел систематизированные исследования стружкообразования и создал схему процесса стружкообразования с его математическим описанием, а также вывел формулы силы резания и усадки стружки. В своих опытах на Луганском заводе И. Л. Тиме детально исследовал все важнейшие вопросы стружкообразования при обработке пластичных и хрупких материалов. Им впервые была описана механика образования стружки и на основании опытов, проведенных в различных условиях, 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 и указал на периодичность изменения силы резания по мере движения инструмента. 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. Из краткого перечня исследованных И. А. Тиме явлений видно, что его работы заложили прочный фундамент для плодотворной дальнейшей деятельности по созданию науки о резании металлов. Исследования, проведенные И. А. Тиме, продолжили П. А. Афанасьев и А. В. Гадолин, работы которых явились новым этапом в развитии науки о резании металлов. Теория И. А. Тиме нашла последующее развитие в работах А. П. Афанасьева, А. А. Брикса и особенно К. Л. Зворыкина, поставившего ряд выдающихся по методу и результатам опытов по определению сил при резании. Свои опыты К. Л. Зворыкин проводил на строгальном станке с применением сконструированного им оригинального гидравлического динамометра, весьма совершенного по тому времени. К. Л. Зворыкин предложил формулу для расчета удельной силы резания, на основании которой установил, что при обработке различных конструкционных материалов ширина и толщина срезаемого слоя на главную составляющую силы резания влияют не одинаково. Предложенная К. А. Зворыкиным формула для определения удельной силы подтверждена всеми последующими исследователями и в принципиальной форме сохранилась до настоящего времени. К. А. Зворыкин выявил систему сил, действующих на контактных поверхностях инструмента, и дал аналитическую формулу для определения угла сдвига, качественно определяющую влияние факторов процесса резания на этот важнейший показатель стружкообразования. В 1893 г. была опубликована работа К. А. Зворыкина. В ней впервые дано основное уравнение процесса стружкообразования, устанавливающее связь между углом сдвига и условиями контакта стружки с передней поверхностью режущего инструмента. Вскоре после, этой работы вышла в свет монография А. А. Брикса, в которой были рассмотрены элементы механики процесса резания металла.
Второй этап развития науки о резании металлов
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 н тепловых явлений. Впервые для изучения процесса образования стружки Я. Г. Усачев использует металлографический метод, более совершенный, чем визуальный, применявшийся его предшественниками. 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. В период с 1900 по 1917 гг. в России начала сильнее развиваться промышленность. Скорости резания станков за последние 20 лет выросли почти в 10 раз. Для строительства различных заводов необходимо было строить машины, детали которых изготавливались резанием. Для более экономичных процессов изготовления необходимо было более детально изучать процесс резания. Из исследований начала XX века особого внимания заслуживают работы мастера Петербургского политехнического института Я.Г.Усачева. Он впервые применил металлографический метод изучения процесса стружкообразования и измерения температуры резания термопарой и впервые применил токарный динамометр. Им установлено явление наклепа при резании металлов и дано научное обоснование явления нароста. Основные результаты его исследований опубликованы в 1915 г. в работе «Явления, происходящие при резании металлов». После революции и гражданской войны в России начался процесс индустриализации (1920-1930 гг). Толчком для изучения науки резания послужило начало бурного развития машиностроения, как основы индустриализации страны. Были построены станкостроительные и инструментальные заводы, созданы конструкторские бюро. Начало работам Советского периода было положено А.К.Челюсткиным, который занимался исследованием вопросов в области сил резания и в 1925 г. опубликовал труд «Влияние размеров стружки на усилие резания металлов». Эта работа явилась результатом критического анализа литературы по резанию металлов и проведению большого количества опытов. Его вклад заключается в том, что он на опыте проверил и систематизировал данные, полученные ранее другими учеными. В 1935 году развернулось стахановское движение, которое отбросило старые нормативы, тормозящие развитие техники. Была создана комиссия по резанию металлов под председательством Е.П.Надеинской в составе А.И.Каширина, И.М.Беспрозванного, А.В.Кривоухова, С.Д.Тишина и других, которая провела большую исследовательскую работу по установлению основых стойкостных и силовых зависимостей. Известна работа Надеинской Е.П. «Исследование износа режущего инструмента с помощью радиоактивных изотопов».
Третий этап развития науки о резании металлов.
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. В годы Великой Отечественной войны ученые все свои силы отдали решению ряда практических задач, повышающих производительность труда и качество продукции оборонной промышленности. Послевоенный период в развитии науки о резании металлов характерен широким фронтом теоретических исследований самых различных сторон процесса резания. При этом изменяются как характер, так и методы исследований. Если в довоенный период господствовали экспериментальные методы, то в дальнейшем они органически сочетаются с аналитическими методами. Качественно изменились методы и средства экспериментов. Для изучения различных сторон процесса резания широко применяются высокоскоростная киносъемка, поляризационно-оптический метод, метод радиоактивных изотопов, рентгеноскопия и электроноскопия, сканирование и т. и. Разработана специальная аппаратура, позволяющая производить физические исследования процесса резания. Большой экспериментальный материал, накопленный в результате проведенных исследований, позволил приступить к разработке общей теории процесса 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. Л. Кривоуховым, А. М. Розенбергом, Н. Н. 3оревым, Л. 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. В результате развития теоретических методов расчета характеристик процесса резания были получены аналитические формулы для определения проекций силы резания, которые по физическому смыслу значительно превосходили существенные эмпирические зависимости. 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. Наименьшей математизации подверглась теория изнашивания инструментов, что объясняется исключительной сложностью физических процессов, протекающих на контактных поверхностях инструмента в условиях высоких давлений и температур, имеющих место при резании. Однако 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. Получила развитие и теория обрабатываемости металлов и сплавов. Наряду с разработкой новых ускоренных методов определения обрабатываемости были получены ценные сведения о влиянии химических, механических, теплофизических и структурных свойств материалов на допускаемую скорость и силы резания. Последнее позволило вооружить металлообрабатывающую промышленность научно обоснованными нормативами по выбору оптимальных геометрических параметров инструментов и режимов резания, как для традиционных, так и новых конструкционных материалов. В связи с все повышающимися требованиями к качеству выпускаемой продукции были выполнены обширные работы по исследованию процесса резания металлическим и абразивным инструментами с тонкими и сверхтонкими стружками. Работами Л. Н. Маслова, С. А. Попова, А. В. Подзея, С. Г. Редько, А. Л. 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, Л. П. Соколовского, Л. К. Кучмы, В. А. Кудинова, В. Н. Подураева была создана теория колебаний при резании металлов, положившая начало расчету металлорежущих станков на виброустойчивость. В последние годы наметились пути использования вынужденных колебаний малой и ультразвуковой частоты для интенсификации процесса резания и обеспечения устойчивого дробления стружки. Наряду с интенсивной разработкой теории различных сторон процесса резания выполнено большое число работ практического характера, результаты которых успешно внедрены в машиностроительную промышленность. Так были разработаны оптимальные геометрические параметры инструментов и режимы резания при обработке труднообрабатываемых и высокопрочных материалов, созданы новые методы обработки фасонных зубчатых профилей и резьб, разработаны методы обработки инструментами с самовращающимися резцами и т.д.
Четвертый этап развития науки о резании металлов
Четвертый этап развития науки о резании металлов начинается примерно в 50-х годах XX века. Как и в предыдущих этапах, началу нового этапа развития науки способствовала интенсивная разработка новых материалов для режущих инструментов, которые смогли бы иметь характеристики на порядок выше уже имеющихся инструментальных материалов. Так новым материалом стал алмаз. Алмаз как инструментальный материал получил в последние годы широкое применение в машиностроении. В настоящее время выпускается большое количество разнообразного инструмента с использованием алмазов: шлифовальные круги, инструменты для правки шлифовальных кругов из электрокорунда и карбида кремния, пасты и порошки для доводочных и притирочных операций. Значительные по размерам кристаллы алмазов применяют для изготовления алмазных резцов, фрез, сверл и других режущих инструментов; алмазные шлифовальные круги нашли широкое применение для производительной и качественной заточки твердосплавных инструментов, а так же изделий из минералов и полупроводниковых материалов. Резцы, оснащённые алмазом, используются для обработки твёрдых, термообработанных металлов, минералов, заготовок из алюминиевых сплавов с повышенными требованиями к качеству обработанной поверхности. Алмазными инденторами специальных форм выполняют скоростное выглаживание поверхностей. Область применения алмазного инструмента с каждым годом все более расширяется. Алмаз представляет собой одну из модификаций углерода кристаллического строения. Алмаз - самый твердый из всех известных в природе минералов. Высокая твердость алмаза объясняется своеобразием его кристаллического строения, прочностью связей атомов углерода в кристаллической решетке, расположенных на равных и очень малых расстояниях друг от друга. Коэффициент теплопроводности алмаза в два и более раза выше, чем у сплава ВК8, поэтому тепло от зоны резания отводится сравнительно быстро. Возросшие потребности в алмазном инструменте не могли быть полностью удовлетворены за счет природных алмазов. Поэтому в 50-х годах была разработана технология производства в промышленных масштабах синтетических алмазов. Новый подход к познанию закономерностей процесса резания описал в работе «Теория резания. Вводные главы» в 1975г. М.И. Калужин. Он отмечает, что стружкообразование, изнашивание режущего инструмента и создание поверхностного слоя на заготовке совершаются одновременно и тесно взаимосвязаны. Это в совокупности составляет единое целое, характеризуется взаимозависимостью его частей и называется системой резания, которая является подсистемой замкнутой динамической системы станка. Наряду с развитием станков, инструментальных материалов проводятся также работы по усовершенствованию заточки режущих инструментов. Так, В ЭНИМСе под руководством Э.Я.Градзинского и Л.С.Зубатовой разработан алмазно-эрозионный метод шлифования, при котором процесс микрорезания совмещен с электроэрозионной правкой кругов, проводимой непосредственно в рабочей зале или вне ее. Это опубликовано в статье «Алмазно-эрозионная заточка торговых фрез» в журнале «Станки и инструменты»(1993г.).
резание металл стружка инструмент
Список литературы
Расчет режимов резания при точении, сверлении, фрезеровании. Учеб. пособ. /В. А. Залога. - К. 1994.
Справочник технолога-машиностроителя: в 2 т./ Под ред. А.Г. Косиловой и Р.К. Мещерякова - М.: Машиностроение, 1986.
Металлообрабатывающий твердосплавный инструмент: Справочник/ В.С. Самойлов и др. - М.: Машиностроение,1988.Панкин А.В.
Обработка металлов резанием. - М.:Машгиз, 1961.
Общемашиностроительные нормативы режимов резания для технического нормирования работ на металлорежущих станках: В 2 ч. - М.: Машиностроение,1984.Бобров В.Ф.
Читайте также: