Резание металлов

Размещено на http://www.allbest.ru/

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.

Основы теории резания металлов. - М.: Машиностроение, 1975.

Размещено на Allbest.ru