Вступ
Машинобудування є
ключовою галуззю промисловості, оскільки без використання його можливостей з
виготовлення необхідних деталей, виробів, устаткування тощо. не може обійтися
жодна інша галузь. Орієнтація вітчизняної промисловості на застосування
малоопераційних, маловідходних та безвідходних матеріалів більш економічними
методами формоутворення не виключають, однак, обробки різанням, яка є і на
багато років залишиться основним технологічним прийомом виготовлення деталей
машин. Це пов'язано, по-перше, з появою нових матеріалів, що важко піддаються
обробці; по-друге, з ускладненням конструкційних форм деталей; по-третє, з
підвищенням вимог до точності та якості виготовлення деталей; по-четверте, з
можливістю гнучкого управління обробкою різання на відміну від інших методів.
Сучасні тенденції розвитку машинобудування, пов'язані з автоматизацією виробничих процесів, створенням гнучких виробничих систем та автоматизованих заводів вимагають пошуку нових підходів до дослідження процесу різання, що ґрунтуються на досягненнях фундаментальних наук, розробки нових видів обробки різанням, ріжучих інструментів та верстатів. Все це неможливо без знання та використання досягнень науки про різання матеріалу.
Теорія різання матеріалів – це теорія процесів, що здійснюються при різанні, а саме: процесу стружкоутворення (теорія власного процесу різання) і зносу ріжучих інструментів (теорія стійкості ріжучих інструментів).
Застосування фундаментальних основ теорії різання сприяє досягненню значних успіхів у вирішенні практичних задач технології машинобудування. Вони є науковою базою для розробки автоматизованих та комп'ютеризованих систем проектування та управління технологічними процесами. Інформація про закономірності процесу різання є відправною точкою для розробки нових видів промислового обладнання, наприклад верстатів для надшвидкісної обробки.
Дослідження основних питань теорії різання i її розвитку охоплюють певний історичний період. В цьому періоді слід виділити дати, імена i досягнення таких видатних людей, які сприяли створенню практичних основ механічної обробки та теорії різання як: Теофiлус Пресс Баттер (Німеччина) – дав опис способів роботи різцями, напилками, шаберами (1100 р.); Леонардо да Вiнчi (Італія) – запропонував токарний пристрій з маховиком, колінчастим валом, ходовим гвинтом i педальним приводом (1500 р.); Жак Бессон (Францiя) – здійснив нарізування різьби i точіння овалу за шаблоном (1578 р); Джон Смiт, Джон Уiлкiнсон (Англія) – описав свердління циліндричних отворів у стволах чавунних гармат (1769 р.); Iоган Беккон (Німеччина) – провів систематизацію технологічних способів обробки (1777 р.); Карл Кармаш (Німеччина) – розробив основи механічної технології, заклав основи поступового переходу від описового до систематичного викладу механічних технологій обробки металів (1825 р.).
Процес різання став широко використовуватися на машинобудівних підприємствах з другої половини XVIII століття. Відповідно все більше виникало питань, пов'язаних з його використанням, що породжувало необхідність проведення відповідних досліджень.
Розвиток науки про різання можна умовно поділити на чотири періоди. У перший період (1848 – 1917 рр.) визначалося, що потрібно вивчати в процесі різання і як вивчати, створювалися перші вимірювальні прилади (динамометри та ін.).
Перші опубліковані праці в цій галузі відносяться до 1848 р. У 1848 – 1849 рр. французький інженер Кокільє, вивчаючи опір різанню при свердлінні стволів артилерійських знарядь, визначав роботу, що витрачається на свердління, залежно від розмірів площі зрізу. Ряд дослідів провів французький дослідник Жоссель (1864 р.), що визначав найвигідніші умови різання і працював на токарному верстаті з найпростішим динамометром. У 1850 і 1864 роках досліди Кокільє стосовно точіння повторюють Кларинваль і Жоссель (Жосселен). Проте дослідники обмежувалися лише фіксацією отриманих результатів, не вдаючись у сутність явищ, їх визначальних.
Основоположником наукового підходу до різання матеріалів є вчений І.А.Тіме, який у 1868 – 1869 р.р. на Луганському паровозо-будівному заводі проводив досліди зі стругання різних матеріалів, описані ним у книзі «Опір металів і дерева різанню» (1870 р.). Запропонована ним класифікація типів стружок, встановлене явище усадки стружки, поняття про кут сколювання, перша формула для визначення сили різання при струганні різних за властивостями матеріалів використовуються в науці про різання і понині. Теорія І.А.Тіме знайшла подальший розвиток у роботах В.Л.Чебишева, А.П.Афанасьєва, А.В.Гадоліна, Т.І.Тихонова, Б.Г.Соколова, А.А.Брікса, Я.Г.Усачова.
Великий внесок у науку про різання металів зробив вчений, проф. Харківського технологічного інституту К.А.Зворикін, який опублікував у 1893 році працю «Робота та зусилля, необхідні для відділення металевих стружок». К.А.Зворикін запропонував схему сил, що діють на різець, з урахуванням тертя на передній та задній гранях різця. З урахуванням доповнень, зроблених проф. С.С.Рудниковим, ця схема дійсна й у наш час. К.А.Зворикін теоретично визначив положення площини сколювання, їм виведено рівняння для підрахунку сили різання та експериментально встановлено різний вплив ширини та товщини зрізу на витрату потужності. Правильність висновків К.А.Зворикіна підтверджена дослідами шведського проф. Селлергрена, проведеними на токарному верстаті у 1896 р.
Слід зазначити дослідження американського промисловця та економіста Ф.Тейлора, творця швидкорізальної сталі. У своїй роботі «Мистецтво різати метали» (1896 р.) він вперше розглядає питання зносу і стійкості ріжучого інструменту, пропонує емпіричні формули статечного типу, що пов'язують швидкість різання з подачею і глибиною різання.
У цьому ж 1896 р. викладач Михайлівської артилерійської академії А.А.Брікс опублікував свою роботу «Різання металів», в якій вперше узагальнив результати робіт вчених у галузі різання металів. Він зазначив, що головну роль при різанні металів відіграють кути інструменту і вказав на явища, від яких залежить вибір цих кутів.
Другий період (1918 – 1945 рр.) характерний створенням наукових шкіл; організацією на великих заводах лабораторій різання (ГАЗ, ЗІЛ, Уралмаш, ХТЗ та ін.), створенням спеціальних науково-дослідних інститутів (ВНДІінструмент, ЕНІМС, ЦНДІТМАШ, НДІавтопром та ін.), накопиченням експериментального матеріалу при дослідженні сил різання, зношування, допустимої швидкості різання та ін. У цi роки спочатку в Нiмеччинi (1927 р.), а потім в СРСР (1929 р.) був створений принципово новий інструментальний матеріал – твердий сплав. Становлення галузі виробництва цих сплавів в Україні пов'язане з «Укртвердосплавом» пізніше – Інститутом надтвердих матеріалів та його засновником – В.М.Бакулем.
У цей період було створено наукові школи у МДТУ ім. Н.Е.Баумана (І.М.Безпрозванний, Г.І.Грановський), Томському політехнічному інституті (A.M.Розенберг), Київському політехнічному інституті (С.С.Рудник), Харківському політехнічному інституті (Н.І.Резніков, М.Ф.Семко) та ін.
Одним із підсумків цих робіт у НДІ, заводських лабораторіях та навчальних закладах була розробка загальномашинобудівних нормативів з режимів різання під загальним керівництвом Комісії з різання металів при Народному комісаріаті важкої промисловості (голова Є.П.Надєїнська).
За кордоном у цей період були створені наукові школи І.Д.Армарего (Австралія), П.Окслі (Англія), М.Мерчанта (США), X.Опітца, І.Г.Шлезінгера (Німеччина), Н.Такаями (Японія).
Третій період (1946 – 1990 р.р.) слід вважати часом розквіту наукових досліджень в області оброблення матеріалів різанням. Різко зросло число учених, що працюють у цій області. Зміцнилися (кількісно і якісно) вже створені наукові школи, створювалися нові: ЦНДІТМАШ (М.М.Зорєв), Грузинський політехнічний інститут (Т.Н.Лоладзе), Київський політехнічний інститут (В.А.Остафьєв) Куйбишевські авіаційний і політехнічний інститути (Н.Й.Рєзников, А.Н.Рєзников, Б.А.Кравченко), Тульський політехнічний інститут (С.С.Петрухін, В.Ф.Бобров), Уфимський авіаційний інститут (А.Д.Макаров), Рибінський авіаційний інститут (С.С.Силін), Харківський політехнічний інститут (М.Ф. Семко, В.І.Дрожжин, А.І.Грабченко) та ін.
Для вивчення різних сторін процесу різання широко застосовуються високошвидкісна кінозйомка, поляризаційно-оптичний метод, метод радіоактивних ізотопів, рентгеноскопія та електроноскопія, сканування тощо. Розроблено спеціальну апаратуру, що дозволяє проводити фізичні дослідження процесу різання. Великий експериментальний матеріал, накопичений в результаті проведених досліджень, дозволив приступити до розробки загальної теорії процесу різання. Цей період характерний створенням теоретичних моделей процесу різання, аналітичних методів розрахунку основних характеристик процесу - сил різання, температур, характеристик руйнування та зносу ріжучих інструментів та ін.
На підставі цих досліджень з'явилося багато наукових монографій та підручників, а узагальнюючою працею на багато років стала книга «Розвиток науки про різання металів» (велика група авторів, голова редакційної колегії Н.Н.Зорєв).
Четвертий період (1991 р. – 2012 р.) пов'язаний зі зниженням творчої діяльності, відсутністю фінансування, розпадом багатьох машинобудівних підприємств та ін. Однак і в цей час в Україні продовжуються роботи з дослідження фізики процесу різання (Запоріжжя, Київ, Харків, Хмельницький), вивченню напруженого стану в ріжучому інструменті (Запоріжжя, Київ, Суми, Харків, Хмельницький), застосуванню екологічно чистих мастильно-охолоджуючих технологічних середовищ (Сімферополь), створенню теоретичних моделей зносу ріжучого інструменту (Хмельницький), вивчення та практичного використання процесів абразивної та алмазної обробки (Донецьк, Київ, Севастополь, Харків, Одеса).
Прогрес у технології механічної обробки досягається внаслідок винахідливості та досвіду, логічного мислення та наполегливої праці багатьох тисяч практичних працівників та вчених, пов'язаних з областями різання матеріалів. Усі вони постійно намагаються знайти розв'язання нових проблем, викликаних появою невідомих раніше матеріалів, обмеженням швидкості обробки чи необхідністю забезпечення точної досяжності та багатьма іншими причинами. У той же час у всьому світі і у нас (Київ, Суми, Одеса, Харків, Хмельницький) поширення набуло напряму комп'ютерного моделювання процесів, що відбуваються при різанні матеріалів: тертя, напруженого стану зони різання, теплових процесів тощо.
Стало можливим: створення методів та систем комп'ютерного розрахунку оптимальних режимів різання; створення методів прогнозуючого моделювання та автоматизованої підготовки керуючих програм для верстатів з ЧПУ; визначення оптимальних конструкцій ріжучих інструментів та умов застосування адаптивних систем управління та ін.
П’ятий період (2012 р. – по теперішній час) характеризується подальшим інтенсивним розвитком теорії різання металів розпочатим у третьому періоді. Він пов'язаний з широким застосуванням у промисловості металокерамічних твердих сплавів, а потім мінеральної кераміки, та з розвитком на їх основі швидкісного різання. Вирішуються питання, пов'язані з впливом геометрії інструменту, режимів різання на процес стружкоутворення, якість обробленої поверхні, сили різання, вібрації системи ВПІД, на знос і стійкість різальних інструментів. Розгляд цих питань ведеться в умовах зміни в широких діапазонах змінних факторів, причому різними технічними способами (мікроскопічним, координатної сітки, кінематографічним, рентгенографічним, за допомогою радіоактивних ізотопів та ін.).
На сучасному етапі розвитку теорії різання є величезний експериментальний матеріал, і пізнання процесів різання та зносу інструментів вже пройшло ту стадію, коли було необхідно розчленовувати методом аналізу складне явище на його елементи та ізольовано вивчати окремі сторони процесу; Зараз завдання полягає в тому, щоб науково усвідомити картину складних процесів стружкоутворення та зносу інструментів у всій їх конкретності, з урахуванням можливо більшої кількості взаємодіючих факторів. Наукове вивчення питань різання стає все актуальнішим у зв'язку з подальшим прогресом машинобудування і, особливо, у зв'язку з автоматизацією технологічних процесів і розробкою умов ефективного різання нових матеріалів; застосуванням електронно-обчислювальних машин для вирішення технологічних завдань, а також у зв'язку з вимогами наукового обґрунтування досягнень новаторів машинобудування.
Сучасні тенденції розвитку машинобудування, пов'язані з автоматизацією виробничих процесів, створенням гнучких виробничих систем та автоматизованих заводів вимагають пошуку нових підходів до дослідження процесу різання, що ґрунтуються на досягненнях фундаментальних наук, розробки нових видів обробки різанням, ріжучих інструментів та верстатів. Все це неможливо без знання та використання досягнень науки про різання матеріалу.
Теорія різання матеріалів – це теорія процесів, що здійснюються при різанні, а саме: процесу стружкоутворення (теорія власного процесу різання) і зносу ріжучих інструментів (теорія стійкості ріжучих інструментів).
Застосування фундаментальних основ теорії різання сприяє досягненню значних успіхів у вирішенні практичних задач технології машинобудування. Вони є науковою базою для розробки автоматизованих та комп'ютеризованих систем проектування та управління технологічними процесами. Інформація про закономірності процесу різання є відправною точкою для розробки нових видів промислового обладнання, наприклад верстатів для надшвидкісної обробки.
Дослідження основних питань теорії різання i її розвитку охоплюють певний історичний період. В цьому періоді слід виділити дати, імена i досягнення таких видатних людей, які сприяли створенню практичних основ механічної обробки та теорії різання як: Теофiлус Пресс Баттер (Німеччина) – дав опис способів роботи різцями, напилками, шаберами (1100 р.); Леонардо да Вiнчi (Італія) – запропонував токарний пристрій з маховиком, колінчастим валом, ходовим гвинтом i педальним приводом (1500 р.); Жак Бессон (Францiя) – здійснив нарізування різьби i точіння овалу за шаблоном (1578 р); Джон Смiт, Джон Уiлкiнсон (Англія) – описав свердління циліндричних отворів у стволах чавунних гармат (1769 р.); Iоган Беккон (Німеччина) – провів систематизацію технологічних способів обробки (1777 р.); Карл Кармаш (Німеччина) – розробив основи механічної технології, заклав основи поступового переходу від описового до систематичного викладу механічних технологій обробки металів (1825 р.).
Процес різання став широко використовуватися на машинобудівних підприємствах з другої половини XVIII століття. Відповідно все більше виникало питань, пов'язаних з його використанням, що породжувало необхідність проведення відповідних досліджень.
Розвиток науки про різання можна умовно поділити на чотири періоди. У перший період (1848 – 1917 рр.) визначалося, що потрібно вивчати в процесі різання і як вивчати, створювалися перші вимірювальні прилади (динамометри та ін.).
Перші опубліковані праці в цій галузі відносяться до 1848 р. У 1848 – 1849 рр. французький інженер Кокільє, вивчаючи опір різанню при свердлінні стволів артилерійських знарядь, визначав роботу, що витрачається на свердління, залежно від розмірів площі зрізу. Ряд дослідів провів французький дослідник Жоссель (1864 р.), що визначав найвигідніші умови різання і працював на токарному верстаті з найпростішим динамометром. У 1850 і 1864 роках досліди Кокільє стосовно точіння повторюють Кларинваль і Жоссель (Жосселен). Проте дослідники обмежувалися лише фіксацією отриманих результатів, не вдаючись у сутність явищ, їх визначальних.
Основоположником наукового підходу до різання матеріалів є вчений І.А.Тіме, який у 1868 – 1869 р.р. на Луганському паровозо-будівному заводі проводив досліди зі стругання різних матеріалів, описані ним у книзі «Опір металів і дерева різанню» (1870 р.). Запропонована ним класифікація типів стружок, встановлене явище усадки стружки, поняття про кут сколювання, перша формула для визначення сили різання при струганні різних за властивостями матеріалів використовуються в науці про різання і понині. Теорія І.А.Тіме знайшла подальший розвиток у роботах В.Л.Чебишева, А.П.Афанасьєва, А.В.Гадоліна, Т.І.Тихонова, Б.Г.Соколова, А.А.Брікса, Я.Г.Усачова.
Великий внесок у науку про різання металів зробив вчений, проф. Харківського технологічного інституту К.А.Зворикін, який опублікував у 1893 році працю «Робота та зусилля, необхідні для відділення металевих стружок». К.А.Зворикін запропонував схему сил, що діють на різець, з урахуванням тертя на передній та задній гранях різця. З урахуванням доповнень, зроблених проф. С.С.Рудниковим, ця схема дійсна й у наш час. К.А.Зворикін теоретично визначив положення площини сколювання, їм виведено рівняння для підрахунку сили різання та експериментально встановлено різний вплив ширини та товщини зрізу на витрату потужності. Правильність висновків К.А.Зворикіна підтверджена дослідами шведського проф. Селлергрена, проведеними на токарному верстаті у 1896 р.
Слід зазначити дослідження американського промисловця та економіста Ф.Тейлора, творця швидкорізальної сталі. У своїй роботі «Мистецтво різати метали» (1896 р.) він вперше розглядає питання зносу і стійкості ріжучого інструменту, пропонує емпіричні формули статечного типу, що пов'язують швидкість різання з подачею і глибиною різання.
У цьому ж 1896 р. викладач Михайлівської артилерійської академії А.А.Брікс опублікував свою роботу «Різання металів», в якій вперше узагальнив результати робіт вчених у галузі різання металів. Він зазначив, що головну роль при різанні металів відіграють кути інструменту і вказав на явища, від яких залежить вибір цих кутів.
Другий період (1918 – 1945 рр.) характерний створенням наукових шкіл; організацією на великих заводах лабораторій різання (ГАЗ, ЗІЛ, Уралмаш, ХТЗ та ін.), створенням спеціальних науково-дослідних інститутів (ВНДІінструмент, ЕНІМС, ЦНДІТМАШ, НДІавтопром та ін.), накопиченням експериментального матеріалу при дослідженні сил різання, зношування, допустимої швидкості різання та ін. У цi роки спочатку в Нiмеччинi (1927 р.), а потім в СРСР (1929 р.) був створений принципово новий інструментальний матеріал – твердий сплав. Становлення галузі виробництва цих сплавів в Україні пов'язане з «Укртвердосплавом» пізніше – Інститутом надтвердих матеріалів та його засновником – В.М.Бакулем.
У цей період було створено наукові школи у МДТУ ім. Н.Е.Баумана (І.М.Безпрозванний, Г.І.Грановський), Томському політехнічному інституті (A.M.Розенберг), Київському політехнічному інституті (С.С.Рудник), Харківському політехнічному інституті (Н.І.Резніков, М.Ф.Семко) та ін.
Одним із підсумків цих робіт у НДІ, заводських лабораторіях та навчальних закладах була розробка загальномашинобудівних нормативів з режимів різання під загальним керівництвом Комісії з різання металів при Народному комісаріаті важкої промисловості (голова Є.П.Надєїнська).
За кордоном у цей період були створені наукові школи І.Д.Армарего (Австралія), П.Окслі (Англія), М.Мерчанта (США), X.Опітца, І.Г.Шлезінгера (Німеччина), Н.Такаями (Японія).
Третій період (1946 – 1990 р.р.) слід вважати часом розквіту наукових досліджень в області оброблення матеріалів різанням. Різко зросло число учених, що працюють у цій області. Зміцнилися (кількісно і якісно) вже створені наукові школи, створювалися нові: ЦНДІТМАШ (М.М.Зорєв), Грузинський політехнічний інститут (Т.Н.Лоладзе), Київський політехнічний інститут (В.А.Остафьєв) Куйбишевські авіаційний і політехнічний інститути (Н.Й.Рєзников, А.Н.Рєзников, Б.А.Кравченко), Тульський політехнічний інститут (С.С.Петрухін, В.Ф.Бобров), Уфимський авіаційний інститут (А.Д.Макаров), Рибінський авіаційний інститут (С.С.Силін), Харківський політехнічний інститут (М.Ф. Семко, В.І.Дрожжин, А.І.Грабченко) та ін.
Для вивчення різних сторін процесу різання широко застосовуються високошвидкісна кінозйомка, поляризаційно-оптичний метод, метод радіоактивних ізотопів, рентгеноскопія та електроноскопія, сканування тощо. Розроблено спеціальну апаратуру, що дозволяє проводити фізичні дослідження процесу різання. Великий експериментальний матеріал, накопичений в результаті проведених досліджень, дозволив приступити до розробки загальної теорії процесу різання. Цей період характерний створенням теоретичних моделей процесу різання, аналітичних методів розрахунку основних характеристик процесу - сил різання, температур, характеристик руйнування та зносу ріжучих інструментів та ін.
На підставі цих досліджень з'явилося багато наукових монографій та підручників, а узагальнюючою працею на багато років стала книга «Розвиток науки про різання металів» (велика група авторів, голова редакційної колегії Н.Н.Зорєв).
Четвертий період (1991 р. – 2012 р.) пов'язаний зі зниженням творчої діяльності, відсутністю фінансування, розпадом багатьох машинобудівних підприємств та ін. Однак і в цей час в Україні продовжуються роботи з дослідження фізики процесу різання (Запоріжжя, Київ, Харків, Хмельницький), вивченню напруженого стану в ріжучому інструменті (Запоріжжя, Київ, Суми, Харків, Хмельницький), застосуванню екологічно чистих мастильно-охолоджуючих технологічних середовищ (Сімферополь), створенню теоретичних моделей зносу ріжучого інструменту (Хмельницький), вивчення та практичного використання процесів абразивної та алмазної обробки (Донецьк, Київ, Севастополь, Харків, Одеса).
Прогрес у технології механічної обробки досягається внаслідок винахідливості та досвіду, логічного мислення та наполегливої праці багатьох тисяч практичних працівників та вчених, пов'язаних з областями різання матеріалів. Усі вони постійно намагаються знайти розв'язання нових проблем, викликаних появою невідомих раніше матеріалів, обмеженням швидкості обробки чи необхідністю забезпечення точної досяжності та багатьма іншими причинами. У той же час у всьому світі і у нас (Київ, Суми, Одеса, Харків, Хмельницький) поширення набуло напряму комп'ютерного моделювання процесів, що відбуваються при різанні матеріалів: тертя, напруженого стану зони різання, теплових процесів тощо.
Стало можливим: створення методів та систем комп'ютерного розрахунку оптимальних режимів різання; створення методів прогнозуючого моделювання та автоматизованої підготовки керуючих програм для верстатів з ЧПУ; визначення оптимальних конструкцій ріжучих інструментів та умов застосування адаптивних систем управління та ін.
П’ятий період (2012 р. – по теперішній час) характеризується подальшим інтенсивним розвитком теорії різання металів розпочатим у третьому періоді. Він пов'язаний з широким застосуванням у промисловості металокерамічних твердих сплавів, а потім мінеральної кераміки, та з розвитком на їх основі швидкісного різання. Вирішуються питання, пов'язані з впливом геометрії інструменту, режимів різання на процес стружкоутворення, якість обробленої поверхні, сили різання, вібрації системи ВПІД, на знос і стійкість різальних інструментів. Розгляд цих питань ведеться в умовах зміни в широких діапазонах змінних факторів, причому різними технічними способами (мікроскопічним, координатної сітки, кінематографічним, рентгенографічним, за допомогою радіоактивних ізотопів та ін.).
На сучасному етапі розвитку теорії різання є величезний експериментальний матеріал, і пізнання процесів різання та зносу інструментів вже пройшло ту стадію, коли було необхідно розчленовувати методом аналізу складне явище на його елементи та ізольовано вивчати окремі сторони процесу; Зараз завдання полягає в тому, щоб науково усвідомити картину складних процесів стружкоутворення та зносу інструментів у всій їх конкретності, з урахуванням можливо більшої кількості взаємодіючих факторів. Наукове вивчення питань різання стає все актуальнішим у зв'язку з подальшим прогресом машинобудування і, особливо, у зв'язку з автоматизацією технологічних процесів і розробкою умов ефективного різання нових матеріалів; застосуванням електронно-обчислювальних машин для вирішення технологічних завдань, а також у зв'язку з вимогами наукового обґрунтування досягнень новаторів машинобудування.