Основные этапы становления науки о резании материалов P

Основные этапы становления науки о резании материалов P. Свое развитие наука о резании материалов начала с изучения взаимодействия конкретных режущих и испытуемых материалов.

Сначала такими материалами были углеродистые и конструкционные стали. Затем в группу режущих материалов пришли быстрорежущие стали, твердые сплавы, минералокерамические сплавы и т.д. Выявление влияния различных факторов на практически важные характеристики процесса резания показало, что каждое сочетание испытуемого обрабатываемого и режущего инструментального материалов имеет свой диапазон возможных параметров процесса резания и геометрических параметров режущего инструмента.

Например, при использовании быстрорежущих сталей обработку резанием лучше производить инструментами с положительными передними углами, при использовании же твердосплавных инструментов удобным оказалось получать сливную стружку и гладкую поверхность при отрицательных передних углах.

При обработке прерывистых поверхностей работа инструмента на удар может привести к повышению стойкости инструмента. При фрезеровании торцевыми твердосплавными головками можно отказаться от смазочно-охлаждающих жидкостей. Чисто резательные механизмы проявляют себя и при переходе от одного обрабатываемого материала к другому. Наиболее существенное изменение механизмов резания проявляется при переходе от обычных углеродистых сталей к жаропрочным материалам.

При практически полном совпадении по своим механическим характеристикам с углеродистыми сталями жаропрочные сплавы имеют весьма низкую обрабатываемость резанием, требуют иного подхода к выбору рациональных условий обработки резанием например, на основе сравнения химических составов обрабатываемых материалов. Первые экспериментальные и теоретические исследования, выполненные русскими учеными, по своему научному уровню и оригинальности не только были выдающимися достижениями того времени, но даже сохранили свое значение до настоящего времени.

Среди них прежде всего заслуживают внимания работы И.А. Тиме, опубликованные в 18701877 годах. Тиме И.А. создал схему стружкообразования, учитывающую сдвиговой характер пластической деформации, дал математическое описание этого процесса, в частности вывел формулы для расчета силы резания и усадки стружки. В дальнейшем а. Зворыкин К.А. вывел основное уравнение процесса стружкообразования, устанавливающее связь между углом сдвига, углом действия и условиями контакта стружки с передней поверхностью. б. Элементы механики процесса резания впервые рассмотрел А.А.Брикс. в. Савиным Н.Н. были выполнены первые исследования влияния охлаждающе-смазочных жидкостей на процесс резания. г. Я.Г.Усачев впервые применил металлографический метод для изучения процесса стружкообразования он выявил действие нароста на стружкообразование, влияние некоторых условий резания на пластические деформации и температуру резания. д. Комиссия по резанию металлов разработала единую методику экспериментального исследования основных стойкостных и силовых зависимостей при любых схемах резания.

На ранней стадии развития науки о резании материалов ее рекомендации носили характер частных эмпирических зависимостей.

Однако в связи с расширением номенклатуры обрабатываемых и инструментальных материалов стали проявляться погрешности расчетов характеристик процесса резания, проводимых по эмпирическим формулам.

В своем дальнейшем развитии наука о резании материалов учла эти недостатки, а также необходимость охвата в своих рекомендациях автоматизированных процессов резания, и был сделан шаг к математическому моделированию процессов резания, к получению теоретических моделей для определения характеристик процесса резания. В итоге получены теоретические формулы для расчета силы резания, функциональные зависимости между стойкостью инструмента и скоростью резания в широком интервале ее изменения.

Очень характерным является процесс резания при малых толщинах среза. Механизмы такого явления составляют основу целого ряда технологических операций тонкого точения, протягивания, развертывания, а также методов абразивной обработки. В число задач, возникающих перед наукой о резании материалов, включаются проблемы развития комплексных методов исследований, с учетом условий резания, конструкций инструмента, свойств инструментального материала, составов смазочно-охлаждающих жидкостей, жесткости упругой системы станок-инструмент-изделие.

В результате получены методы усовершенствования инструментальных материалов, смазочно-охлаждающих жидкостей создания станков, отвечающих заданным схемам резания. Учеными в области науки о резании материалов разработаны наиболее обоснованные представления по основным проблемам науки о резании материалов по кинематике процесса резания выявлению факторов, непосредственно влияющих на процесс резания взаимосвязь факторов в процессе резания схемам стружкообразования, учитывающим упрочнение обрабатываемого материала и действие скорости деформации раскрыта природа коэффициента трения при резании и закономерностей его изменения создана теория износа режущего инструмента выявлен механизм образования поверхностного слоя при резании материалов раскрыты основные закономерности вибраций при резании материалов разработаны теоретические основы определения обрабатываемости материалов резанием.

Перечисленные решения получены в результате исследования именно резательных механизмов явлений, протекающих в различных условиях функционирования процесса резания.

Сравнивая положения науки о резании материалов с другими родственными науками, отметим, что технологическую науку, например, интересуют задачи создания высокоинтенсивных технологических операций производства готовых изделий. Поиск же оптимальных условий интенсификации процесса резания ведет наука о резании материалов.

Это возможно прежде всего за счет увеличения суммарного сечения среза и скорости резания. Увеличение суммарного сечения среза возможно за счет увеличения числа одновременно режущих элементов замена расточного резца зенкером, резьбового резца - метчиком и т.д Возможно одновременно увеличение количества режущих элементов и ширины среза протягивание, одновременное использование нескольких однотипных инструментов обработка на многорезцовых и многошпиндельных станках. Не исключена возможность увеличения суммарного сечения срезаемого слоя за счет изменения величины и направления сил резания, мощности резания при изменении условий резания усовершенствование конструкций инструмента и его геометрических параметров. В поиск интенсивных условий резания включают также замену инструментального материала, выявление оптимальных геометрических параметров, конструкции инструмента для конкретных условий резания, управление процессом изнашивания инструментальных материалов, разработку оптимальных критериев затупления, методов назначения рациональных режимов резания с учетом свойств обрабатываемых материалов и некоторых технологических условий обработки.

В результате наука о резании материалов для тяжелых обдирочных работ с глубиной резания до 30 мм и подачей до 3 мм об разработала особо прочный твердый сплав - Т5К10В. Важную роль сыграло введение упрочняющих фасок на передней поверхности инструментов из этого сплава.

Было освоено чистовое точение широкими твердосплавными резцами с подачей до 20 мм об, разработаны резцы с нулевым вспомогательным углом в плане для высокопроизводительного получистового точения с подачей до 5 мм об. Создание сплавов Т30К4 позволило добиться значительного повышения скорости резания.

Для высокопроизводительного чистового и получистового точения чугуна и цветных сплавов были созданы однокарбидные твердые сплавы типа ВК3, ВК4 и ВК6, которые допускают значительно более высокие скорости по сравнению с ранее созданным сплавом ВК8. Переход на прерывистое резание внес ряд изменений в закономерности распределения напряжений в режущей части инструмента, условия нагрева и охлаждения режущей кромки.

При торцевом фрезеровании, например, небольших стальных изделий припуски на обработку были сравнительно малы и необходимо было получать хорошее качество обработанной поверхности за один проход. Были использованы малые подачи на зуб и большие скорости резания. Холостой пробег фрезы получался кратковременным и циклическое охлаждение режущих кромок незначительным.

При этом они испытывали периодические, сравнительно небольшие ударные нагрузки. Достаточная прочность фрез достигалась при использовании твердого сплава Т15К6 с улучшением геометрических параметров. При обработке больших стальных деталей торцевыми фрезами больших диаметров время холостого пробега зубьев значительно возрастало и циклические колебания температуры оказывали существенное влияние на напряженное состояние режущей кромки.

Для того чтобы уменьшить это влияние, необходимо было снижать температуру и, следовательно, скорость резания. В этих условиях оказалось целесообразным применение более прочного твердого сплава Т5К10, допускающего подачи 0,8 1,5мм об. Наибольшее влияние циклического изменения температуры наблюдается при строгании и точении некруглых изделий на карусельных станках, когда длительность перерыва в работе инструмента становится особенно большой. В этих случаях даже при оптимальной геометрии резца и малых скоростях резания тепловые напряжения вызывают появление трещин и разрушение резцов даже из сплава Т5К10. Успешное функционирование процесса при условии определенной его интенсификации стало возможным после создания особо прочного сплава ТТ7К12. Применение твердых сплавов для изготовления сверл, разверток, зенкеров показало, что в ряде случаев при обработке стали это не дает существенного эффекта, а иногда даже дает отрицательные результаты.

Исследование резательных механизмов этого явления показало, что зависимость пути, пройденного инструментом до затупления от скорости в этом случае носит экстремальный характер.

Переход на более высокий режим резания при обработке твердосплавным инструментом позволил обнаружить проблему завивания и удаления стружки из зоны резания. При высоких режимах резания в зоне резания отсутствует нарост или сильно развитая застойная зона, и образующаяся при этом стружка имеет малую кривизну, получается более пластичной и прочной, что создает опасность для станочника.

Создание минералокерамического инструмента, исследования механизмов резания выявило возможность его применения для чистового точения чугуна, сталей с большими скоростями и весьма ограниченным количеством перерывов в работе из-за низкого сопротивления циклическому изменению температуры. Механизмы воздействия процесса резания на поверхностный слой изделия обусловливают возможность снижения неточностей обработки. Основной путь воздействия - уменьшение сечения среза.

Однако значительное уменьшение припуска на обработку во многих случаях оказывалось невозможным из-за необходимости устранять неточности предыдущей обработки или из-за потери устойчивости процесса. В то же время значительное уменьшение подачи иногда приводило к уменьшению точности обработки из-за увеличения размерного износа, а также к резкому снижению производительности. Наука о резании материалов, исследуя эти противоречия, постепенно находила приемлемые решения, устанавливала необходимые закономерности для выбора оптимальных условий и характеристик процессов резания.

Одним из методов, принятых наукой о резании материалов, является разделение припуска на несколько проходов или между рядом последовательно работающих режущих зубьев. На принципе разделения припуска был разработан метод шлифования. При каждом проходе глубина резания остается незначительной, высокая точность обработки достигается за счет сглаживания поверхности большим числом зерен. Для повышения точности обработки были использованы принципы частичного замыкания сил резания в жестком контуре например, при развертывании круглых отверстий, протягивании отверстий осесимметричной формы, уменьшения колебаний силы резания и деформации упругой системы, снижения автоколебаний в процессе резания, регулирования скорости резания.

Скорость резания может влиять на точность обработки через изменение интенсивности размерного износа, величины и направления силы резания, развитие нароста и застойной зоны, тепловых деформаций деталей и инструмента, дисбаланса вращающихся частей системы станок-инструмент-изделие.

Выявлено влияние механизма процесса резания на качество, свойства и состояние поверхностного слоя обрабатываемых изделий. Основные средства регулирования качества поверхностного слоя параметры процесса резания, геометрия режущей части инструмента и сечения среза, качество и химический состав инструментального материала, интенсивность и методы охлаждения, допустимое значение износа режущего инструмента.

Наука о резании материалов установила, что производительность процесса резания возрастает прямо пропорционально увеличению суммарной длины одновременно работающих режущих кромок, а качество обработанной поверхности при этом изменяется мало. При увеличении толщины среза производительность растет меньше, чем при увеличении суммарной длины рабочих участков режущих кромок, так как при этом приходится более существенно снижать скорость резания для сохранения заданной стойкости инструмента.

При значительном увеличении толщины необходимо применять более прочный, но менее износостойкий материал инструмента, что дополнительно снижает скорость резания. Кроме того, увеличение толщины среза снижает качество обработанной поверхности. Поэтому повышение производительности за счет увеличения толщины среза более эффективно при обдирочных работах. При резании новых материалов влияние условий резания на характеристики процесса резания может не подчиняться известным закономерностям.

Например, при точении молибдена со скоростями резания, обеспечивающими стойкость резца более 30 минут, подача практически не влияет на износостойкость резцов при резании на воздухе производительность твердосплавных резцов ниже, чем быстрорежущих. Применение охлаждающе-смазочных жидкостей резко снижает стойкость быстрорежущих резцов и повышает стойкость твердосплавных. Для материалов, таких как молибден, вольфрам, механические свойства не характеризуют их обрабатываемость, а стойкость инструмента не характеризует количество изделий, обработанных до его затупления.

Значительная часть поломок твердосплавного инструмента не является случайной и связана с закономерным возникновением и развитием трещин, вызванных циклическими термодинамическими нагрузками на режущий инструмент. В связи с этим, большое значение приобретает изучение закономерностей влияния условий резания на напряжения и схемы разрушения рабочей части инструмента. Так как возникновение и развитие трещин зависит от свойств твердого сплава, то проблема повышения прочности инструмента зависит также от стабильности этих свойств. За последние годы появились новые методы обработки металлов, основанные на использовании разрушения их поверхности электроэрозией, анодным растворением, электронным лучем, ультразвуком.

Однако при обработке наиболее распространенных машиностроительных материалов резание обеспечивает производительность в несколько раз большую при удельных затратах электроэнергии в десятки раз меньших.

Поэтому вполне закономерным является вывод о том, что в обозримом будущем обработка резанием в машиностроительном производстве сохранит свое приоритетное значение и ее объем будет неуклонно возрастать. Учитывая многогранность явлений, протекающих при резании материалов, в их исследовании принимают участие различные фундаментальные науки. Они распределили между собой задачи исследования механизмов явлений, протекающих при резании, следующим образом - механизмы действия сил, обусловливающих удаление срезаемого слоя с заготовки в виде отделяемых элементов, составляют заботу механики следует отметить, что это выражение надо понимать пока в гипотетическом смысле, так как современные исследователи в области механики чаще всего обходят стороной явления резания металлов - физику и теплофизику интересуют механизмы электрических явлений, выделения тепла, образования распространения тепловых потоков между инструментом, заготовкой и стружкой появления колебаний, вибраций в зоне резания - трибологию, трибонику от греческого слова tribos, трение занимают проблемы, связанные с изучением трения между режущим клином инструмента, стружкой и обработанной поверхностью изделия, износа режущих инструментов и формирования рельефа обработанной поверхности - химию интересуют проблемы действия смазочных и охлаждающих свойств сложных органических соединений, используемых в процессе резания - технологию металлов как науку о способах получения и свойствах металлов, сплавов и неметаллических материалов, интересует действие исходных физико-механических свойств сырья, заготовок, используемых для изготовления изделий - металловедение как раздел технологии металлов занимают проблемы структурных изменений поверхности инструментальных материалов, в ходе разрушительного воздействия процесса резания - науку о прочности материалов сопротивление материалов интересуют проблемы деформации срезаемого слоя под действием режущего клина-индентора - технологию машиностроения интересуют проблемы обеспечения с помощью различных этапов резания различными режущими инструментами оптимальных условий формообразования поверхностей изделий и технико-экономических показателей производственных процессов. Если на этом закончить перечисление механизмов явлений, исследуемых науками, то это значит что не сказать о том, что явления обработки материалов резанием входят также в круг проблем экономической науки, кибернетики и других.

Встает вопрос о том, что же изучает сама наука о резании материалов? Механизмы каких же явлений, протекающих при резании материалов приходятся на долю самой науки о резании материалов? Учитывая приведенный выше исторический обзор этапов развития науки о резании, считаем что такими механизмами являются 1 механизмы поведения режущего инструмента и обрабатываемого материала в изменяющихся условиях резания, определяющие искусство резать один материал другим со снятием стружки 2 механизмы стабильного функционирования процесса резания как прообраза технологической операции формирования поверхностей изделия.

Механизмы первой группы составляют сущность искусства резания- онтологию процесса резания.

Каждая теоретическая структура непременно опирается на определенные онтологические представления, составляющие ее устойчивое содержательное основание и подвергающееся изменениям по мере развития познания.

В онтологию резания входят прежде всего задачи отбора, ориентации и управления поведением режущего инструмента в изменяющихся условиях процесса резания геометрического, структурного и математического моделирования процесса резания как регулируемой термодинамической системы отделения срезаемого слоя анализа систем процесса резания и его экспериментального исследования. Механизмы второй группы - обеспечения стабильного резания одного металла другим наиболее близки к решению проблем обрабатываемости материалов резанием с применением конкретных режущих инструментов и условий резания, получения заданных параметров точности обработки и качества поверхностного слоя. Анализ литературных источников в области резания материалов показывает, что на сегодня в этой области знаний накоплен обширный экспериментальный материал. Имеются книги отдельно по вопросам механики и геометрии процесса резания, физическим основам учения о резании материалов, стойкости и износе режущих инструментов, по исследованию вибраций, качества поверхности и точности при обработке материалов резанием, о методах определения обрабатываемости и наивыгоднейших режимов резания.

Однако практически нет книг по механике, физике, химии и другим наукам, где отдельными разделами рассматривались бы глубоко научные проблемы процесса резания. Такие разделы могли бы служить доказательством особого исключительного положения в них процессов резания, или подтверждением на примере резания методик и основных закономерностей конкретной науки, возможного объединения ряда наук. В замечаниях и пометках к книге А.Рея Современная философия В.И.Ленин Л3 пишет Наука не может решиться считать навсегда изолированными различные разряды факторов, ради которых она разбилась на особые науки. Это деление имеет вполне субъективные и антропоморфические причины.

Оно возникает единственно из потребностей исследования, побуждающих размещать вопросы рядами, сосредоточивать внимание отдельно на каждом из них, начинать с частного, чтобы прийти к общему. Однако процесс начального разъединения наук и последующего их объединения в одну общую науку весьма длителен по времени.

В отдельных науках например, биологии, математике такое объединение уже завершается. В области же резания материалов можно говорить пока лишь о предварительном подборе объединяющего названия.

Такими объединяющими названиями могут быть томология от греческого tomo режу и логия комплекс наук о резании, металлотомия от греческого - металл и режу, или металлотомология совокупность наук о резании материалов.

Препятствием объединению наук служит незавершенность детального разграничения и уточнения предметов отдельных наук в той или иной степени занятых изучением проблем резания материалов. Это является также одной из причин недостаточно высокой научной эффективности диссертаций, защищаемых в последнее время в области резания материалов причиной того, что до сих пор еще многие исследователи, занимающиеся проблемами технологии и онтологии резания уходят в физику, теплотехнику, металловедение, кибернетику, машиноведение.

Уходят в уверенности и надежде, что именно там лежит решение онтологических проблем обработки резанием.

И если допустить, что такая ориентация исследований в области резания правильная, то это означало бы, что резание состоит из явлений, механизмы которых определяются только естественными науками.

И тогда следовало бы откровенно признать, что знания в области резания не могут составлять отдельную самостоятельную науку, так как у такой науки нет своего предмета, нет своих законов, своей структуры знаний, нет своего метода и инструментария.

Вопрос о предмете наук, изучающих механизмы явлений, протекающих при резании материалов, является сегодня самым насущным, самым практическим и настоятельным вопросом.

Изучение явлений резания стихийно не наводит на интуитивное, правильное представление об их предмете и задачах науки о резании материалов. Это ведет к тому, что многие специалисты в области резания материалов остаются сегодня на позиции объектной классификации наук, упрощенно объединяя в одной науке весь комплекс знаний о процессе резания, режущих инструментах, изделиях и станках. В этом случае ее название напоминает приведенную выше науку о стакане. Ленинский принцип разделения объекта, выделения его разных сторон, каждая из которых составляет предмет отдельной науки, как уже указывалось, позволяет обнаружить ошибку, которая содержится в объектном определении предмета науки о резании материалов.

Кроме того нельзя считать, что отдельные науки механика, химия, технология металлов, металловедение и другие, вносящие свой вклад в исследование механизмов явлений резания материалов, являются разделами единой науки о резании материалов, так как каждая из них действительно является особой наукой, имея свой предмет, свой метод исследования и инструментарий. 3.3.