История науки о резании металлов

Размещено на http://www.allbest.ru/

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

1.http://www.mexanik.ru/

2. http://www.forest.ru/

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).

Размещено на Allbest.ru