1. Краткий исторический очерк развития науки о резании материалов

Вопросы резания металлов привлекают внимание ученых уже более 150 лет. Возможности исследования явлений, возникающих при резании и протекающих в особо сложных условиях, ограничены в каждый данный момент времени степенью разработанности более общих отраслей науки, в первую очередь, металлофизики, химии, теории пластичности, науки о механических свойствах металлов, теории трения и износа.

К моменту зарождения науки о резании металлов техника резания находилась на весьма низком уровне; скорости резания были не более 10м/мин, так как применялась лишь инструментальная углеродистая сталь.

Наука о металлах также лишь зарождалась. Только в 1868 г. наш соотечественник Д.К.Чернов открыл существование внутренних изменений в твердой стали при ее нагреве выше определенных температур, чем заложил основы современной металлургии и теории термической обработки.

Первые же экспериментальные исследования деформации металлов в пластической области, выполненные французским академиком Треска, были освещены лишь в 1868 г., а первые работы по математической теории пластичности французского ученого Сен-Венана были опубликованы в 1871г.

Таким образом, наука о резании металлов зародилась одновременно с комплексом смежных отраслей общего учения о металлах.

В 1848 - 1849 гг. французский инженер Кокилье, изучая сопротивление резанию при сверлении стволов артиллерийских орудий, определял работу, затрачиваемую на сверление, в зависимости от размеров площади среза. Ряд опытов провел французский исследователь Жоссель (1864 г.), определявший наивыгоднейшие условия резания и работавший на токарном станке с простейшим динамометром. Эти исследователи ограничивались только фиксацией результатов опытов, не вдаваясь в сущность явлений, их определяющих. Поэтому работы Кокилье и Жосселя оказались бесплодными в научном отношении и не могли служить базой для создания науки о резании материалов.

Основы теории резания металлов были заложены в России в 70-90-х годах ХIХ столетия. Впервые отечественные экспериментальные исследования процесса резания металлов были произведены проф. И.А. Тиме (1865-1870 гг.), результаты которых были опубликованы в 1870 г. под названием «Сопротивление металлов и дерева резанию». В результате своих исследований И.А.Тиме установил номенклатуру стружек, положение плоскости скалывания, характер деформации срезаемого слоя и влияние различных факторов на деформацию, характер завивания стружки.

И.А. Тиме попытался вывести формулу для подсчета силы резания. Эта формула непригодна в настоящее время, однако, результаты исследования остальных выше перечисленных факторов имеют значение и в наши дни.

Большой вклад в науку о резании металлов внес русский ученый, проф. Харьковского технологического института К.А.Зворыкин, опубликовавший в 1893 году труд «Работа и усилие, необходимые для отделения металлических стружек». К.А. Зворыкин предложил схему сил, действующих на резец, с учетом трения на передней и задней гранях резца. С учетом дополнений, сделанных проф. С.С.Рудниковым, эта схема действительна и в настоящее время. К.А. Зворыкин теоретически определил положение плоскости скалывания, им выведено уравнение для подсчета силы резания и экспериментально установлено различное влияние ширины и толщины среза на расход мощности.

Правильность выводов К.А. Зворыкина подтверждена опытами шведского проф. Селлергрена, проведенными на токарном станке в 1896г.

В этом же 1896 г. наш соотечественник, преподаватель Михайловской артиллерийской академии А.А. Брикс опубликовал свою работу «Резание металлов», в которой впервые обобщил результаты работ русских и зарубежных ученых в области резания металлов. Он отметил, что главную роль при резании металлов играют углы инструмента, и указал на явления, от которых зависит выбор этих углов.

Таким образом, русских ученых И.А.Тиме, К.А. Зворыкина и А.А. Брикса по праву можно назвать основоположниками науки о резании металлов. Они заложили основу механики резания металлов.

Второй этап развития науки о резании металлов совпадает с началом ХХ века. К этому времени в технике металлообработки имелись серьезные сдвиги, так как применение быстрорастущей стали позволило вести обработку на высоких скоростях. Центральное место среди работ второго периода занимают исследования Я.Г. Усачева, результаты которых были опубликованы в 1915 г.

Первые исследования процесса резания металлов развивали теорию резания без учета изменений в физико-механических свойствах обрабатываемого металла, происходящих при его пластической деформации в процессе резания. И.А. Тиме, К.А. Зворыкин и А.А. Брикс создали схему процесса резания, положив в основу представление о неизменности свойств обрабатываемого материала в процессе резания. Поскольку эта схема правильно отражала некоторые существенные особенности реального процесса, она привела к раскрытию части его закономерностей. Однако такой подход к вопросу не дает полного познания природы явления. Освоение закономерностей резания предполагает проникновение в его физическую сущность, что, в первую очередь, требует учета реальных свойств металла в каждой стадии его пластической деформации. Я.Г.Усачев ввел в рассмотрение новые связи, положив начало исследованию влияния скорости резания и температуры в зоне резания на сам процесс резания. Его исследования показали, что свойства обрабатываемого металла в холодном состоянии еще не полностью определяют характер процесса стружкообразования. Свойства металла в процессе резания меняются, причем степень их изменения зависит от интенсивности ведения самого процесса резания, то есть величины сечения среза и скорости резания. Наблюдаемый в каждом конкретном случае характер процесса стружкообразования есть результат взаимодействия, взаимосвязи и взаимообусловленности большого количества факторов, возникающих при резании. Я.Г.Усачев, таким образом, вышел за рамки исследования только механики деформирующих сил и положил начало разработки физики процесса резания металлов. Он создал оригинальную конструкцию динамометра к токарному станку, впервые разработал методы измерения температур резания и исследовал зависимость этих температур от режимов резания. Зарубежные ученые (Готвейн, Герберт) к вопросу измерения температур на поверхностях инструмента подошли лишь в 1926 г. Я.Г.Усачев впервые применил микроскоп для изучения процесса резания, что позволило ему доказать, что кроме «плоскости скалывания» имеются «плоскости скольжения». Он создал теорию наростообразования в процессе снятия стружки и указал на увеличение твердости обработанной поверхности (наклеп).

Начало исследования процессов затупления и стойкости режущих инструментов было положено американским инженером Ф. Тейлором в 1905 г. В 1906 г. вышла в свет его книга «Искусство резать металлы». Тейлор открыл ряд важных законов резания, из которых некоторые до сих пор сохраняют свое значение. В отличие от других исследователей, он проводил опыты в условиях, близких к заводской обстановке - снимал крупные стружки на сравнительно больших скоростях резания. Он же впервые исследовал условия, в которых операция резания осуществляется наиболее производительно и экономично.

В 1925 г. вышла в свет работа выдающегося экспериментатора А.Н. Челюсткина о силах резания при точении, которая по ясности и строгости изложения не имела себе равных. Он вывел формулу силы резания, применяемую и в настоящее время.

Период 1935-1941 гг. характеризуется такими научными исследованиями в области обработки металлов резанием, которые по своим результатам составляют целую эпоху. В этот период развернулось стахановское движение, опрокинувшее старые нормативы, тормозившие дальнейшее развитие техники. При Министерстве станкостроения была создана Комиссия по резанию металлов, под руководством которой в течение 5 лет было выполнено около 250 капитальных исследовательских работ по изучению процесса резания для всех видов режущего инструмента и по всем основным материалам, применяемым в машиностроении. Здесь необходимо отметить большие заслуги академиков П.А. Ребиндера и В.Д. Кузнецова, профессоров И.М. Беспрозванного, В.А. Кривоухова, Н.И.Резникова, Г.И. Грановского, М.Н. Ларина, А.М. Розенберга, С.С. Рудника, А.М. Даниеляна и др.

Существенное влияние на развитие науки о резании металлов оказала и экспериментальная работа рабочих - новаторов: П.Б. Быкова, Г.С. Борткевича, В.К. Семинского, В.А. Колесова и многих других.

В этот период исследованию были подвергнуты экономические вопросы резания металлов как при одноинструментальной, так и многоинструментальной обработке. Основы теории этих вопросов были заложены Г.И. Темчиным. Период дальнейшего интенсивного развития теории резания металлов относится к концу 30-х - началу 40-х годов и который продолжается и в настоящее время. Он связан с широким применением в промышленности металлокерамических твердых сплавов, а затем минеральной керамики, и с развитием на их основе скоростного резания. Решались вопросы, связанные с влиянием геометрии инструмента, режимов резания на процесс стружкообразования, качество обработанной поверхности, силы резания, вибрации системы СПИД, на износ и стойкость режущих инструментов. Рассмотрение этих вопросов велось в условиях изменения в широких диапазонах переменных факторов, причем самыми различными техническими способами (микроскопическим, координатной сетки, кинематографическим, рентгенографическим, при помощи радиоактивных изотопов и др.).

Углубление теоретического толкования явлений, наблюдаемых при резании, стало возможным на базе серьезно развившихся физики твердого тела, особенно физической теории пластичности, математической теории пластичности, учения о механических свойствах металлов, теории трения и изнашивания.

Изучение теории резания имеет неоценимое практическое значение, которое, прежде всего, состоит в том, что знание теории освобождает от необходимости слепо следовать устоявшимся рецептам и вооружает необходимыми данными для того, чтобы каждую вставшую вновь производственную задачу решать творчески, с учетом всей специфики имеющихся условий, т.е. с достижением наибольшего производственного эффекта.

На современном этапе развития теории резания имеется громадный экспериментальный материал, и познание процессов резания и износа инструментов уже прошло ту стадию, когда было необходимо расчленять методом анализа сложное явление на его элементы и изолированно изучать отдельные стороны процесса; сейчас задача состоит в том, чтобы научно осознать картину сложных процессов стружкообразования и износа инструментов во всей их конкретности, с учетом возможно большего количества взаимодействующих факторов. Научное изучение вопросов резания становится все актуальнее в связи с дальнейшим прогрессом машиностроения и, особенно, в связи с автоматизацией технологических процессов и разработкой условий эффективного резания новых материалов; применением электронно-вычислительных машин для решения технологических задач, а также в связи с требованиями научного обоснования достижений новаторов машиностроения.