Лекция 1. Вклад отечественных ученых в развитие науки о резании металлов

Первые экспериментальные исследования процесса резания металлов проведены во Франции. В 1848…1849 годах капитан французской артиллерии Кокилья проделал опыты по сверлению отверстий в орудийных стволах. Подача сверла осуществлялась с помощью груза. В опытах определялась работа, затрачиваемая на сверление.

В 1851 году Коквилхэт исследовал работу, необходимую для сверления отверстий в железе, бронзе, камне и других материалах. В 1862 году опыты Кокилья повторил капитан французской артиллерии Кларинваль на отличающихся по своим свойствам обрабатываемых материалах: чугуне, стали и бронзе. В 1864 году французский исследователь Джоссель сделал сообщение о влиянии геометрии резца на силу резания.

В конце 70-х годов 19-ого века интенсивно развиваются науки о строении и свойствах металлов. Так, в 1968 году Д.К.Чернов исследует строение металлов и закладывает основы металлургии, в том же году французский академик Треска публикует первые работы по пластической деформации металлов.

В 1880 году наш соотечественник Тиме Иван Августович[1] (1838…1920), профессор Петербургского Горного Института, публикует труд «Сопротивление металлов и дерева резанию», в котором он «... впервые рассмотрел процесс деформации металла при стружкообразовании». Этот труд и считается началом науки о резании металлов, а его автор, Иван Августович Тиме — ее основоположником.

В 1893 году вышла в свет книга профессора Харьковского Технологического Института Константина Алексеевича Зворыкина[2] (1861…1928) «Работа и усилие, необходимые для отделения металлических стружек». Эта работа явилась ценным вкладом в мировую техническую литературу и поставила К.А.Зворыкина в ряд крупнейших ученых- основоположников науки о резании металлов. За свое исследование, описанное в этой книге, К.А.Зворыкин был удостоен премии Русского технического общества. В своем исследовании для измерения усилий он впервые применил гидравлический динамометр. Методика изложенного исследования была настолько совершенна и тщательно продумана, что от современных исследований она отличается только технической оснащенностью. К. А.Зворыкиным была предложена схема сил, действующих на резец, в которой были учтены силы трения на передней и задней поверхностях. К.А.Зворыкин теоретически определил положение плоскости скалывания и высказал предположение, что в плоскости скалывания действуют нормальные силы, вызывающие силы трения между элементами стружки, препятствующие их движению. Значительная часть работы посвящена исследованию зависимости сил резания от толщины стружки.

В 1896 году опубликована работа преподавателя Михайловской артиллерийской академии, капитана А. А. Брикса[3] «Резание металлов». В своей книге автор дал глубокий анализ работ отечественных и зарубежных исследователей, систематизировал понятия и уточнил терминологию, принятую в резании. Такие термины, как «режущее лезвие», «передняя грань», «задняя грань», «угол заострения», «задний угол», «передний угол» утвердились в науке о резании металлов и сохранились до наших дней.

В 1905…1910 годах – Н.Н. Савиным выполнены исследования влияния сма- зочно-охлаждающей жидкости на процесс резания и качество обработанной поверхности. Результаты исследования опубликованы в «Известиях СПБ Политехнического института» и в «Вестнике общества технологов» в 1910 году.

В 1914 году в «Известиях Донского политехнического института» была опубликована работа Б.Г. Соколова «О форме обдирочных резцов». В этой работе автор обращает внимание на то, что процесс образования стружки следует рассматривать в плоскости «схода стружки», которую в настоящее время мы называем главной секущей плоскостью.

Выдающейся работой после работ И. А. Тиме и К. А. Зворыкина была работа мастера механических мастерских Петроградского политехнического института Якова Григорьевича Усачева[4] (1873…1941) «Явления, происходящие при резании металлов». Для изучения пластической деформации в зоне образования стружки Я.Г. Усачев впервые применил микроструктурный анализ корней стружек, позволивший увидеть плоскости скалывания и плоскости сдвигов внутри элементов стружки. При микроструктурном анализе корней стружек Я.Г. Усачев обратил внимание на явление образования нароста на передней поверхности резца, которое он охарактеризовал как явление приспособляемости металла к условиям резания и указал, что «…нарост образуется всегда, если форма резца не соответствует условиям наименьшего сопротивления резанию...».

Я.Г. Усачев был выдающимся экспериментатором и большим мастером своего дела, опубликованные им фотографии микроструктур корней стружек и нароста, удивляют исключительно высоким качеством их выполнения, собственноручно им изготовленные и применяемые в экспериментах резцы со встроенными полуискуственными термопарами, являют собой образцы ювелирного их исполнения.

Начало работам советского послереволюционного периода времени было положено Андреем Николаевичем Челюстиным (1891…1926), преподавателем Ленинградской артиллерийской академии. За 7 лет своей научно-педагогической работы он опубликовал целый ряд сочинений, сыгравших большую роль в развитии отечественной науки о резании металлов.

Особое место среди его работ занимает сочинение «Влияние размеров стружки на усилие резания металлов». В годы первой пятилетки 1928…1933 в советском союзе развернулось широкое строительство новых предприятий тяжелой индустрии и реконструкция существующих машиностроительных заводов. В этот период строятся Горьковский автозавод, Сталинградский, Харьковский и Челябинский тракторные заводы; авиационные заводы в Москве, Воронеже и Горьком; Уралмаш и Ново-Краматорский завод тяжелого машиностроения.

Резкое расширение парка металлорежущих станков и увеличение объема металлообработки потребовало создания научно-обоснованных руководящих материалов по рациональному использованию имеющихся мощностей, выбору оптимальных режимов резания и условий обработки.

Развитие массового производства требовало освоения высокопроизводительных методов обработки металлов с применением специализированных инструментов.

Эти задачи в целом потребовали расширения научно-исследовательских работ в металлообработке. Поэтому в 1936 году по инициативе Наркома тяжелой промышленности СССР Григория Константиновича Орджоникидзе была создана «Комиссия по резанию металлов» под председательством Е.П. Надеинской – профессора МВТУ имени Н.Э.Баумана. Членами комиссии стали А.И. Каширин, В.А. Кривоухов, И.М. Беспрозванный и С.Д. Тишин. На основании работ, выполненных под руководством комиссии, впервые в мировой практике металлообработки разработаны справочные материалы по режимам резания всех применявшихся в то время конструкционных материалов и всех видов обработки всеми видами инструмента.

Эти материалы были положены в основу государственных нормативов по режимам резания.

В результате работ Комиссии были прочно заложены основы Советской школы резания металлов. Впервые в мировой практике созданы нормативно- справочные материалы по резанию металлов.

Послевоенный период характеризуется глубокими исследованиями накопившихся за время войны узких вопросов по теории резания металлов.

Результаты исследований опубликованы авторами:

1945 г. — В.А. Кривоуховым «Деформирование поверхностных слоев металла в процессе резания».

1946 г. — И.М. Беспрозванным «Физические основы теории резания металлов».

1949 г. — С.Ф. Глебовым «Механизм пластической деформации при резании металлов».

1950 г. — А.И. Исаевым «Процесс образования поверхностного слоя при обработке металлов резанием».

1953 и 1958 г. — опубликованы две монографии М.И. Клушина «Резание металлов».

По вопросам тепловых явлений и износа режущего инструмента опубликованы работы:

1946 г. — А.М. Даниеляна «Износ инструмента и тепловые явления при резании металлов».

1949 г. — Б.И. Костецкого «Стойкость режущего инструмента».

1949 г. — М.П. Левицкого «Проблема стойкости резцов».

Наряду с теоретическими исследованиями в послевоенный период решаются и новые практические задачи. В этот период осваивается производство новых мощных турбин, атомных реакторов, реактивных двигателей. Детали этих устройств, работающие в условиях действия высоких температур и давлений, изготавливаются из специальных жаропрочных, нержавеющих, эрозионно-стойких и тугоплавких материалов и сплавов, которые трудно поддаются механической обработке. Работы послевоенного периода и были направлены на определение оптимальных условий обработки таких материалов. В 1947 году интенсивно внедряется скоростное резание твердосплавными инструментами.

Современное состояние науки о резании металлов характеризуется глубокими исследованиями физико-химических явлений в зоне резания, исследуются процессы взаимодействия обрабатываемого материала и инструмента, новые инструментальные материалы, исследуется сверхскоростное резание.

Повышение быстроходности и надежности машин потребовало повышения точности обработки и улучшения качества обработанной поверхности. В связи с этим расширились работы по исследованию размерной стойкости инструмента, большое число работ посвящено исследованию внутренних напряжений в поверхностном слое обрабатываемой детали и исследованию влияния различных технологических факторов на усталостную прочность обрабатываемых деталей.

Необходимо отметить, что в настоящее время обнаруживается несоответствие возможностей металлургической промышленности и металлообработки.

Металлургическая промышленность может поставлять нашей промышленности материалы высочайшей прочности, обрабатывать которые обработчики еще не научились и обработка их стоит непомерно дорого. И в этом направлении ведутся исследовательские работы.

Наряду с другими, одной из центральных проблем машиностроения является проблема применения смазочно-охлаждающих технологических сред при резании материалов. Работы в этом направлении ведутся сейчас довольно широко большим числом научно-исследовательских школ и организаций, в том числе в ИГЭУ и в Ивановском Государственном Университете.

Лекция 2. Основы резания металлов

Основные понятия, термины и определения

При обработке металлов резанием изделие получается в результате срезания с заготовки слоя припуска, который удаляется в виде стружки. Готовая деталь ограничивается вновь образованными обработанными поверхностями. На обра­батываемой заготовке в процессе резания различают обрабатываемую и обрабо­танную поверхности. Кроме того, непосредственно в процессе резания режущей кромкой инструмента образуется и временно существует поверхность резания (рис. 2.1).

Для осуществления процесса резания необходимо и достаточно иметь одно взаимное перемещение детали и инструмента. Однако для обработки поверхно­сти одного взаимного перемещения, как правило, недостаточно. В этом случае бывает необходимо иметь два или более, взаимосвязанных движений обрабаты­ваемой детали и инструмента. Совокупность нескольких движений инструмента и обрабатываемой детали и обеспечивает получение поверхности требуемой формы. При этом движение с наибольшей скоростью называется главным дви­жением (Dj.), а все остальные движения называются движениями подачи (D_s). Суммарное движение режущего инструмента относительно заготовки, вклю­чающее главное движение и движение подачи, называется результирующим движением резания (D_e). Геометрическая сумма скорости главного движения резания и скорости движения подачи определяет величину скорости результи­рующего движения резания (V_e). Плоскость, в которой расположены векторы скоростей главного движения резания и движения подачи (рис. 2.1), называется рабочей плоскостью (P_s). В этой плоскости измеряются угол скорости резания "Ч и угол подачи К Для случаев токарной обработки этот угол равен 90 градусам.

Интенсивность процесса резания определяется напряженностью режима ре­зания. Режим резания характеризуют три параметра:

• глубина резания t (мм);

• подача s (мм/об);

• скорость резания v (мм/мин);

Элементы режима резания: глубина подача и скорость, обозначаются строч­ными (малыми) буквами латинского алфавита.

Глубиной резания называется толщина слоя обрабатываемого материала, срезаемого за один проход инструмента.

Подачей называется величина перемещения инструмента или обрабатывае­мого изделия в единицу времени или величина, этого перемещения, отнесенная к величине главного движения.

Рис.2.1 Поверхности и движения при резании: 1 – обрабатываемая поверхность, 2 – обработанная поверхность, 3 – поверхность резания, P_s - рабочая плоскость, V - вектор скорости резания, V_s - вектор скорости движения подачи, V_e - вектор скорости результирующего движения. D_г - главное движение, D_s - движение подачи, D_e - результирующее движе­ние.

Скоростью резания называется скорость перемещения поверхности резания относительно режущей кромки инструмента. Скорость резания можно предста­вить как путь, пройденный режущим инструментом в единицу времени в на­правлении главного движения по поверхности резания.

Величина подачи и глубины резания определяют размер площади попереч­ного сечения срезаемого слоя (сечения среза):

f = t·s, мм²

Процесс пластической деформации срезаемого слоя и напряженность про­цесса резания наиболее полно оценивается не величиной площади поперечного сечения среза, а величинами ширины и толщины поперечного сечения срезае­мого слоя (см. рис.2.2).

Толщиной срезаемого слоя (среза) a называется рас­стояние между двумя последовательными положениями поверхности резания.

Шириной срезаемого слоя b называется расстояние между обрабатываемой и обработанной поверхностями, измеренное по поверхности резания.

Форма поперечного сечения среза зависит от формы режущей кромки инст­румента и от расположения ее относительно направления движения подачи. При резании инструментом с прямолинейной режущей кромкой толщина среза а по­стоянна на всей ширине среза, а при резании инструментом с криволинейной режущей кромкой толщина среза неодинакова в разных точках по ширине среза. Из рис.2.2 видно, что при постоянных значениях подачи s и глубины резания t ширина среза b и толщина среза a изменяются в зависимости от положения ре­жущей кромки, в зависимости от угла фмежду режущей кромкой и направлени­ем подачи.

Рис. 2.2. Форма и размеры площади поперечного сечения среза

Здесь видно, что:

при

поэтому

В результате того, что режущий инструмент имеет вспомогательный угол в плане φ₁ не равный нулю, фактическая площадь среза f_факт. меньше номинальной на величину площади среза остающихся на обработанной поверхности гребешков. Величина их Δf несоизмеримо мала по сравнению с номинальной, и для выпол­нения каких-либо расчетов ею можно пренебречь.

Производительность обработки резанием может характеризоваться объемом металла, срезаемого в единицу времени.

Этот объем, мм²/мин, может быть определен как произведение площади по­перечного сечения среза и длины пути, пройденного режущим инструментом в единицу времени - скорости резания:

где: t - глубина резания, мм;

s - подача, мм/об;

V - скорость резания, м/мин;

Кроме того, производительность механической обработки может оценивать­ся также величиной площади поверхности, обработанной в единицу времени, или по другим показателям.