Предисловие. 
Резание материалов. 
Режущий инструмент

Обработка резанием — это основной технологический прием изготовления точных деталей машин и механизмов. Большинство деталей машин из различных материалов приобретает окончательную форму и размеры в результате механической обработки.

С увеличением точности предварительных операций (литья, штамповки и т. д.) уменьшаются припуск на механическую обработку, объем простых обдирочных операций, однако увеличивается объем сложных трудоемких финишных операций. При этом значительного снижения объема процесса обработки резанием ожидать нельзя, так как с каждым годом усложняются конструктивные формы деталей, возрастают требования к качеству и точности их изготовления. Широко применяются труднообрабатываемые материалы (высоко-, жаропрочные, жаростойкие стали и сплавы, титановые сплавы), которые имеют низкую обрабатываемость резанием, что повышает трудозатраты при обработке.

Совершенствование процесса резания и создание новых методов обработки невозможно без глубокого знания науки о резании материалов, которая является базой для технологии машиностроения.

При проектировании технологических процессов изготовления деталей необходимо оценить их эффективность, т. е. качество изготавливаемых деталей, надежность функционирования, производительность и себестоимость технологического процесса. Качество изготовления деталей определяется точностью их геометрической формы, шероховатостью обрабатываемой поверхности, состоянием поверхностного слоя. Производительность и себестоимость технологического процесса определяются временем, затраченным на выполнение отдельных операций, и зависят от параметров режима резания. Надежность функционирования технологического процесса определяется стойкостью инструмента. Анализ возникновения отказов и поиск путей их устранения (теория статистической стойкости инструментов) помогают установить характер изнашивания инструмента. Износостойкость, пластичная и хрупкая прочность инструмента зависят от особенностей контакта технологической пары «режущий инструмент — деталь». Чтобы установить критерий затупления при эксплуатации инструмента и величину допустимого износа, необходимо знать физическую природу и количественные закономерности изнашивания.

Проектирование режущего инструмента (РИ) начинается с определения профиля образующей исходной инструментальной поверхности (ИИП), назначения материала режущей части инструмента и выбора ее геометрических параметров: переднего угла (у), главного (а) и вспомогательного (а,) задних углов, главного (ср) и вспомогательного (ф,) углов в плане, а также угла наклона главной режущей кромки (А,).

При проектировании металлорежущих станков задают диапазон регулирования частоты вращения шпинделя и величины изменения подач, эффективную мощность станка. Выбор этих параметров производится на основе рациональных режимов резания при однои многоинструментальной обработке.

Важная задача — замена эмпирических формул для расчета сил и скорости резания аналитическими формулами, выражающими механические п теплофизические свойства обрабатываемого и инструментального материала, а также характеристики процесса резания.

Наука о резании материалов сравнительно молода, ее основоположником является русский ученый-механик, горный инженер Иван Августович Тиме (1838—1920), который в 1868—1869 гг. провел обширные, тщательно поставленные опыты по строганию различных материалов и описал их в книге «Сопротивление металлов и дерева резанию» (1870). И. А. Тиме впервые указал на невозможность проведения рациональной и научно обоснованной механической обработки без детального изучения физических основ резания. Он впервые описал механику образования стружки и классификацию типов стружек, которые приняты и в настоящее время. Наблюдая за процессом образования стружки, И. А. Тиме впервые указал на явление усадки стружки, ввел понятие об угле скалывания и показал его зависимость от переднего угла у. На основе динамических опытов И. А. Тиме предложил формулу для определения сил резания при строгании различных материалов и указал на периодичность изменения сил резания по мере движения инструмента. Он впервые в общих чертах предложил основные скоростные зависимости, на которых в настоящее время базируются нормативы расчета режима резания.

Теория И. А. Тиме нашла последующее развитие в работах А. П. Афанасьева, К. А. Зворыкина (1861 — 1928), А. А. Брикса (1865—1900).

К. А. Зворыкин поставил ряд выдающихся по методу и результатам опытов, но определению сил резания. Эти опыты он проводил на строгальном станке с применением сконструированного им гидравлического динамометра. К. А. Зворыкин предложил формулу для расчета удельной силы резания, которая в принципиальном виде сохранилась до сих пор. На основании этой формулы он установил, что толщина и ширина срезаемого слоя неодинаково влияют на главную составляющую силу резания. К. Л. Зворыкин выявил систему сил, действующих на контактных поверхностях инструмента, дал аналитическую формулу для определения угла сдвига, который качественно описывает влияние факторов процесса резания на стружкообразование.

В 1896 г. вышла в свет монография А. А. Брикса «Резание металлов», где были приведены результаты теоретической разработки основных вопросов механики резания. В конце XIX в. в области резания начал работать американский исследователь Ф. Тейлор, формулы которого для расчета силы и скорости резания были предназначены для решения частных практических задач и не затрагивали физическую сущность процесса.

Русские ученые исследовали физику резания всесторонне. В 1914 г. Я. Г. Усачев (1873—1941) изучал стружкообразование и тепловые явления. Впервые для изучения процесса стружкообразования он использовал металлографический метод (прежде применялся визуальный). Металлографический анализ корней стружек позволил Я. Г. Усачеву разработать теорию наростообразования. Исследуя тепловые явления при резании для установления количества теплоты, уходящей со стружкой, он также применил калориметрический метод, а для исследования температуры резания — метод подведенных термопар. Изучая температуру резания, Я. Г. Усачев эмпирическим путем установил интенсивность влияния на нее глубины резания, подачи и скорости резания, которые затем подтвердились аналитически.

Усилиями И. А. Тиме, К. А. Зворыкина, Я. Г. Усачева и др. была создана российская школа резания материалов, которая изучала коренные вопросы процесса резания и намного опередила зарубежные исследования.

В 1925 г. вышла работа А. Н. Челюсткина о силах резания при точении, которая по ясности и строгости изложения не имела себе равных.

В 1930—1935 гг. появился ряд работ обобщающего характера, авторами которых были В. А. Кривоухов, С. С. Рудник, Н. И. Резников, А. В. Панкин и др.

В 1935 г. при Народном комиссариате^[1] тяжелой промышленности СССР (Наркомтяжпром) была создана Комиссия по резанию металлов (далее — Комиссия резания) под председательством профессора Е. П. Надеинской, в состав которой вошли А. И. Каширин, В. А. Кривоухов, С. Д. Тишин и др. Под началом комиссии работали более 30 вузов, исследовательских и заводских лабораторий, в течение пяти лет по единой методике проводились экспериментальные исследования силовых и стойкостных зависимостей при резании разных материалов. Было выполнено около 250 исследовательских работ, что позволило разработать нормативы и руководящие материалы по определению параметров режима резания для всех основных видов обработки всех известных тогда материалов. Были разработаны методы скоростного резания материалов твердосплавными инструментами.

После Великой Отечественной войны качественно изменились методы исследования: стали применяться высокоскоростная киносъемка, поляризационно-оптический метод, метод радиоактивных изотопов, рентгенои электроноскопия, сканирование.

Г. И. Грановским и его коллективом была разработана кинематика резания, которая учитывала геометрические параметры инструментов в процессе резания, стружкообразование, изнашивание и стойкость инструментов.

Исследователи В. А. Кривоухов, А. М. Розенберг, Н. Н. Зорев, А. И. Исаев, М. И. Клушин, М. Ф. Полетика изучали напряженное и деформированное состояния зоны резания, контактные процессы на передних и задних поверхностях инструментов, силы, действующие в процессе резания. Ими были разработаны аналитические формулы для определения силы резания.

На основании изучения механики резания в работах А. А. Авакова, А. В. Даниэляна, А. П. Малкина, А. Н. Резникова получила развитие теплофизика резания.

Г. И. Грановский, Т. Н. Лоладзе, Н. Н. Зорев и др. занимались вопросами количественного описания процесса изнашивания режущего инструмента.

Получила развитие теория обрабатываемости материалов и сплавов. Исследованиями процесса резания лезвийным и абразивным инструментом с тонкими и сверхтонкими стружками занимались А. Н. Маслов, С. А. Попов, А. В. Лодзей, С. Г. Редько, А. А. Маталин и др. Ими были изучены физические основы резания свободным и закрепленным абразивным зерном, состояние поверхностного слоя при шлифовании.

Теорией устойчивости процесса резания занимались А. И. Каширин, И. А. Дроздов, В. А. Кудинов, В. Н. Подураев и др. В результате была создана теория колебаний инструмента при резании, которая положила начало расчету станков на виброустойчивость.

Повышением износостойкости режущего инструмента, разработкой и внедрением технологий нанесений покрытий на материал режущей части инструмента занимались И. П. Третьяков, А. С. Верещака, С. В. Касьянов и др.

Вопросам оперативного регулирования и многопараметрического диагностирования процесса резания посвящены работы М. В. Терешина.

Развитие науки о резании материалов немыслимо без разработки новых видов режущих инструментов, совершенствования их конструктивных и геометрических параметров, без исследования возможностей экологически безопасного резания.

После изучения курса студент должен освоить:

трудовые действия

• • владеть методами анализа материала инструмента;
• • методами оценки характеристик стружки;
• • навыками расчета температурного поля при резании;
• • методами улучшения износостойкости инструмента;
• • навыками построения математической модели процесса резания;
• • навыками решения технологических проблем при производстве режущего инструмента;
• • способами активного контроля с одновременным устранением дефектов обработки;
• • методами анализа результатов при проектировании режущего инструмента и моделировании процесса формообразования;

необходимые умения

• • выбирать оптимальный материал инструмента;
• • назначать рациональную технологию изготовления режущего инструмента;
• • эффективно применять методы обработки поверхности;
• • оценивать температурные свойства металлов и трение в процессе резания;
• • анализировать математическую модель процесса резания;
• • применять методы проектирования режущего инструмента;
• • применять способы моделирования процесса формообразования;
• • проводить поиск и выбор нужного режущего инструмента;

необходимые знания

• • основы анализа напряженно-деформированного состояния;
• • химические, физические, механические и технологические свойства инструментальных материалов;
• • особенности современных режущих инструментов;
• • влияние различных факторов на стружкообразование;
• • факторы, влияющие на формирование поверхности шероховатости;
• • особенности локализации температуры в процессе резания;
• • виды износа режущих инструментов;
• • схемы резания при строгании, долблении, сверлении, зенкеровании, развертывании, фрезеровании, протягивании, резьбонарезан и и, зубообработке и абразивной обработке;
• • способы затачивания инструмента и его крепления на станках;
• • методы проектирования режущего инструмента и моделирования форм ообразова ния;
• • особенности формирования информационно-поисковой системы режу щего инструмента.

Авторы выражают благодарность ассистенту кафедры «Технология нефтегазового машиностроения» Альметьевского государственного нефтяного института (АГ11И) Д. Н. Ларионову, а также студентам АШИ Д. И. Лобанову, Г. X. Рамазановой, Г. Н. Мубаракшиной, Л. Р. Мансуровой за оказанную техническую помощь при подготовке рукописи данного учебника.

• [1] Народный комиссариат (наркомат) — в Советском государстве в 1917—1946 гг. центральный орган государственного управления отдельной сферой деятельности или отдельнойотраслью народного хозяйства. Возглавлялся народным комиссаром (наркомом). Впервыебыли созданы в октябре 1917 г. Вторым съездом Советов. В 1946 г. наркоматы преобразованы в министерства.