Развитие науки о резании
Развитие науки о резании
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.
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. Оценивая состояние научных работ в области резания металлов, И. А. Тиме впервые указал на то, что невозможно думать о рациональной и научно обоснованной механической обработке без детального изучения физических основ резания и, в частности, основного вопроса - процесса образования стружки, В своих опытах на Луганском заводе 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, 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 дальнейшей плодотворной деятельности по созданию науки о резании металлов.
Рекомендуемые материалы
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. Свои опыты К. А. Зворыкин проводил на строгальном станке с применением сконструированного им оригинального гидравлического динамометра, весьма совершенного по тому времени. К. А. 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 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. 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.
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, которая по ясности и строгости изложения не имела себе равных. Работы А. Н. Челюсткина сыграли большую роль в критике формалистического направления в теории резания металлов, получившего название «немецкой школы» резания. Работами советских ученых была показана теоретическая несостоятельность и практическая вредность «немецкой школы», которая в нашей стране не получила распространения.
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, С. С. Рудник, А. М. Да-ниелян, Н. И. Резников и др. В течение пяти лет по единой методике экспериментального исследования силовых и стоикостных 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. В 1930 г. впервые при подготовке инженеров-механиков технологических специальностей стал изучаться самостоятельный курс теории резания металлов. Первый учебник по курсу «Резание металлов» был написан И. М. Беспрозванным (МВТУ им. Н. Э. Баумана) и вышел в 1933 г.
Режущие инструменты, оснащенные твердосплавными пластинками, стали постепенно вытеснять инструменты из быстрорежущих сталей. Сначала твердосплавными пластинками оснащались резцы, несколько позже фрезы, развертки. Затем, по мере развития инструментальной технологии, твердыми сплавами оснащались фасонные инструменты, зубо- и резьбонарезные инструменты, протяжки. В США, Германии и СССР приблизительно в одно и то же время (во второй половине 20-х годов) твердые сплавы, изготовленные по технологии порошковой металлургии, были выпущены как товарная продукция. Эти сплавы, полученные из карбидов вольфрама и металлического кобальта (группа ВК), в США назывались, как и производящая их фирма, «карболой», в Германии на заводах Круппа - «видна», т. е. «как алмаз», в СССР они получили название «победит». Все эти твердые сплавы оказались превосходным инструментальным материалом для обработки чугунов, но совершенно непригодным для обработки сталей. По этой причине первые годы (до середины 30-х годов) твердыми сплавами обрабатывались только чугуны, а стали продолжали обрабатывать быстрорежущими инструментами.
В результате дальнейших поисков к середине 30-х годов был разработан новый твердый сплав, содержащий кроме карбидов вольфрама карбиды титана. Вольфрамотитановые твердые сплавы были успешно применены при обработке сталей, но они оказались малоэффективны при обработке чугунов. Первые марки советских вольфрамотитанокобальтовых твердых сплавов (группа ВТК) обозначались a15 и a21. Сплав a15 соответствует используемому в настоящее время твердому сплаву марки Т15К6. Сплав a21 применения в дальнейшем не нашел. Таким образом, начиная с середины 30-х годов в машиностроении применяются пластинки твердых сплавов двух групп. Из сплавов группы ВК выполняют инструменты, предназначенные для обработки чугунов, а из сплавов группы ВТК инструменты для обработки сталей.
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.
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, поляризацнонно-оптический метод, метод радиоактивных изотопов, рентгеноскопия и электро-носкопия, сканирование и т. п. 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 стружкообразовання, изнашивание и стойкость инструментов. Плодотворно развивается механика процесса резания. Исследователями В. А. Крнвоуховым, Л. 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. 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.
Если Вам понравилась эта лекция, то понравится и эта - 54 Основания, порядок, последствия изменения, расторжения договора.
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 со 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 А. Н. Маслова, С. А. Попова, А. В. Подзея, С. Г. Редько, А. А. Маталина и др. были исследованы физические процессы при резании закреплённым 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. Кашнрина, И. 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 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, способы рационального подвода смазочно-охлаждающей жидкости в зону резания и многие другие.
