КРАТКИЕ ИСТОРИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ О РАЗВИТИИ СТАНКОСТРОЕНИЯ И ИНСТРУМЕНТАЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Очевидное формирование науки произошло в середине XIX столетия, когда для этого созрели объективные условия. Подлинную революцию в металлообработке совершил цельнометаллический токарно-винторезный станок, созданный в 1797 году английским механиком Генри Модели. Станок имел механический суппорт, позволявший обрабатывать металлические заготовки с высокой точностью. Следом за токарным в 1817 году создаются фрезерный станок американцем Элиасом Уитни и строгальный англичанином Ричардом Робертсом. В 1835 году английский изобретатель Джозеф Витворт создал токарно-винторезный станок с автоматической продольной и поперечной подачами, а в 1839 году Джеймс Несмит разработал долбежный станок. В 1872 году был создан круглошлифовальный станок с рабочей скоростью шлифования до 10 м/с. Развитие военной техники, железнодорожного и водного транспорта во второй половине XIX столетия дало мощный импульс совершенствованию станочного оборудования. Появляются зачатки крупносерийного и массового производства, в первую очередь в США. В токарных станках появляются элементы автоматики, создаются первые револьверные станки. В 1873 году американский инженер Кристофер Спенсер построил первый станок-автомат для изготовления болтов, ставший основой для создания в 1894 году многошпиндельного станка-автомата.
К 70-м годам XIX столетия в промышленно развитых странах – Англии, США, Германии – фактически была создана станкостроительная промышленность. Возникла объективная необходимость изучения комплекса процессов, происходящих при механической обработке стальных заготовок и непосредственно влияющих на производительность и качество обработки.
Пожалуй, первым исследователем процесса резания металла можно назвать американского физика Бенджамина Томсона, графа Румфорда, жившего в Европе и работавшего в Мюнхене, Лондоне и Париже.

Бенджамин Томсон

Бенджамин Томсон

Наблюдая за высверливанием пушечных стволов на одной из фабрик в Германии, он пришел к выводу, что причиной нагрева ствола является трение сверла о металл. В 1798 году Томсон провел эксперимент в области обработки резанием, рассверливая притупленным сверлом ствол шестифунтовой бронзовой пушки. Вертикально установленная заготовка ствола вращалась от привода двумя лошадьми, находясь в деревянном ящике с водой. Сверло проходило через дно ящика и рассверливало ствол снизу вверх под действием силы тяжести заготовки. По расчетам Томсона, за счет выделившейся за три часа сверления теплоты можно было бы вскипятить 7 литров воды. Главным выводом по итогам эксперимента стало понимание того, что механическая энергия при резании не исчезает, а переходит в тепловую энергию.
Горный инженер Тиме был одним из первых, кто начал изучать вопросы, являющиеся до наших дней основными в теории резания материалов: процесс стружкообразования и сопротивление материала резанию.

Тиме И.А.

Тиме И.А.

В 1868 – 1869 гг. Тиме в мастерских Луганского литейного завода на строгальном станке исследован процесс образования стружки при резании. Результаты исследования он опубликовал в 1870 году в работе «Сопротивление металлов и дерева резанию. Теория резания и приложение ее к машинам – орудиям. Работа была опубликована также на французском (1877) и немецком (1892) языках, а сам автор на ее основе я декабре 1870 гола защитил диссертацию на звание профессора Санкт-Петербургского горного института.
В первой главе работы Тиме описал строгальный станок, на котором выполнялись исследования, и приспособление для проведения опытов.
Здесь же приведена методика проведения опытов и таблицы результатов исследования сопротивления резанию (силы резания) железа, стали, чугуна и бронзы для различных значений угла резания и сечения среза.
В последующих главах Тиме излагает свой взгляд на теорию резания металлов: «Сопротивление металлов резанию можно рассматривать как сумму постепенных элементарных сопротивлений скалыванию». Процесс стружкообразования, по Тиме, происходит в результате вдавливания резка в металл под действием внешней силы.
Тиме рассмотрел вопрос об определении численного значения коэффициента скалывания, и сделал предположение, что при учете сопротивления трения подвижных частей станка и трения резца об обрабатываемый металл значение коэффициента скалывания будет близким к величине сопротивления металла на разрыв.
Тиме впервые дал классификацию стружки (скалывания и надлома) и показал влияние свойств материала и условий резания на ее форму. Он впервые ввел в научный оборот понятие «усадка стружки». Усадка, но мнению Тиме, обусловлена относительным перемещением элементов при отделении стружки.
Тиме ввел понятие «скорость резца» (сейчас – скорость резания) и отметил, что для каждого материала есть свое наивыгоднейшее значение скорости. Он указал на то, что скорость резца влияет на тепловые явления при резании.
В 1883 голу в книге «Основы машиностроения» Тиме развивает свою теорию, делая вывод, что толщина и ширина стружки оказывают различное влияние на усилие резания, а удельная работа резания уменьшается с увеличением толщины стружки. Здесь Тиме приходит к утверждению, что сила изменяется непропорционально изменению толщины среза.
Тиме не мог пользоваться высокоточным экспериментальным оборудованием и сведениями из смежных наук (за отсутствием таковых), поэтому его опыты не давали относительно точных результатов. Однако выводы, сделанные ученым на основе этих опытов, принципиально правильно объясняли явления, происходящие при стружкообразовании. Вопросы, затронутые Тиме, получили дальнейшее развитие и уточнение в трудах исследователей из России, Германии, Англии и других стран с применением более совершенного математического аппарата и методик исследования.
Именно после работ Тиме в научный оборот были введены основополагающие понятия процесса резания: усадка стружки, угол скалывания, плоскость скалывания, стружка скалывания, стружка надлома. Неважно, что эти понятия позднее уточнялись, изменялась терминология, вводились новые схемы. Работы Тиме послужили тем фундаментом, на котором началось построение основ науки о резании материалов.
Среди первых исследователей процесса резания следует также назвать профессора Дрезденского политехникума Карла Эрнета Гартига. В 1869 – 71 гг он исследовал зависимость работы резания от сечения снимаемой стружки. Измерение усилий резания проводились при помощи специального приводного (трансмиссионного) динамометра. Гартиг показал, что расход энергии на стружкообразование и трение при строгании за одно и то же время убывает с увеличением площади поперечного сечения стружки. Гартиг первым сделал вывод о том, что работа, необходимая для снятия стружки уменьшается с увеличением поперечного сечения стружки.
В 1881 голу профессор Оксфордского университета Генри Реджинальд Арнульф Мэллок впервые исследовал микрошлифы корней стружек и подтвердил сдвиговый характер деформации металла. Изучив влияние смазочно-охлаждающей жидкости на процесс резания, он впервые установил, что водный раствор мыла снижает угол сдвига.
В 1884 году профессор Санкт-Петербургского технологического института П.А. Афанасьев опубликовал результаты своего теоретического исследования под названием «Определение усилия и его работы, при образовании стружек».
Афанасьев, сделав противоречивший теории Тиме вывод о том, что стружка не всегда скалывается, рассмотрел случай се излома в результате изгиба при продвижении по передней поверхности резца.
В 1893 году была опубликована книга «Работа и усилия, необходимые для отделения металлической стружки», написанная адъюнкт-профессором Харьковского технологического института К.А.Зворыкиным, удостоенная в 1896 году премии Русского технического общества и ставшая классической, как и публикации Тиме.

Зворыкин К.А.

Зворыкин К.А.

Эта работа поставила Зворыкина в ряд ученых, основоположников науки о резании материалов. К большому сожалению, Зворыкин далее практически не обращался к теме, связанной с резанием металлов.
Работая с 1898 года с перерывами в Киевском политехническом институте, он отдал много сил организации учебного процесса, подготовке новых учебных курсов, работам в области литья, термообработки, ветряных двигателей и др.
Значительный шаг в понимании процесса стружкообразования сделал преподаватель Михайловской артиллерийской академии А.А. Брикс. В 1896 году, проведя анализ работ Тиме, Треска, Хауснсра, Афанасьева, Зворыкина и сделав попытку их обобщения, он публикует работу «Резание металлов (строгание)», где дает строго научное описание стружкообразования и уточняет термины (режущее лезвие, боковое лезвие, передняя грань, задняя грань, угол заднего наклона, угол заострения, угол резания и др.), ныне принятые в теории резания.
В 1900 году знаменитый немецкий ученый в области механики, профессор Берлинской политехнической школы Франц Рело показал, что в обрабатываемом материале при резании впереди движущего клина возникает опережающая трещина. Позднее это было поддержано другими исследователями. Благодаря этому вплоть до 50-х годов XX века существовало мнение о близости механизмов резания металла и расщепления древесины.

Франц Рело

Франц Рело

Рело указал, также, что лунка износа на передней поверхности резца смещена на некоторое расстояние от режущей кромки. Начиная с 90-х годов XIX века техника проведения эксперимента постепенно совершенствуется, методы аналитических исследований учитывают все большее число значимых для процесса резания факторов. Расширяется область интересов исследователей.
Английский исследователь, представитель Манчестерской технологической школы Эдвард Гсйслер Герберт первым в 1908 году установил немонотонный характер зависимости стойкости инструмента от скорости резания и связал его с тепловыми явлениями в зоне резания. Он полагал, что при относительно низких скоростях резания (при низких температурах) резец притупляется вследствие выкрашивания кромок, а при относительно высоких вследствие стачивания кромок.

Эдвард Гейслер Герберт

Эдвард Гейслер Герберт

Значительным этапом в развитии понимания процесса стружкообразования и тепловых явлений при резании является экспериментальное исследование Я.Г. Усачева, работавшего с 1908 года мастером на кафедре, возглавляемой Саввиным, и в мастерских Санкт-Петербургского политехнического института.

Усачев Я.Г.

Усачев Я.Г.

Именно Усачев изготовил ряд экспериментальных установок, в том числе калориметр и динамометр, на которых Саввин проводил свои опыты.
Будучи высококлассным мастером-самоучкой и талантливым экспериментатором, Усачев вскоре стал производить самостоятельные исследования. В 1915 году он публикует работу «Явления, происходящие при резании металлов», в которой анализирует взгляды Тейлора и Треска на процесс стружкообразования, экспериментально подтверждает и развивает положения о плоскости скалывания, выдвинутые Тиме.
Усачев занимался исследованием образования нароста на резце, применив для этого микрофотографирование, и оценил влияние наростообразоваиия на процесс резания, в частности па силы и температуру, как положительный фактор. Исследуя природу нароста, Усачев, в противоположность Тейлору, пришел к выводу, что он является не скоплением мелких части, а возникает вследствие застоя металла во время его деформации. По мнению Усачева, образование нароста – это «явление приспособляемости природы, при котором процесс совершается с наименьшей затратой энергии». Близкие взгляды высказал позднее (1926) Герберт с той лишь разницей, что причиной образования нароста, по его мнению, является не застой, а трение между резцом и стружкой.
Только в начале XX века (несколько позже изучения вопросов, связанных с лезвийной обработкой) исследователи обратились к изучению явлении и процессов, происходящих при шлифовании. Это связано с тем, что промышленные образцы шлифовальных станков были разработаны значительно позже станков для лезвийной обработки, а искусственные абразивные материалы – электрокорунд и карбид кремния – созданы только в 90-е годы XIX века.
Одной из первых капитальных работ в области абразивной обработки явилось исследование профессора Шарлоттенбургской высшей технической школы Георга Шлезингера, который в 1907 году определил условия безопасной работы на повышенных режимах шлифования при окружной скорости круга 35 м/с. Поводом для проведения этих исследований явилось стремление машиностроительных предприятий пересмотреть ограничения скорости шлифования в 20…25 м/с, установленные действующими нормами.

Георг Шлезингер

Георг Шлезингер

В 1914 году американский ученый Джордж Олден представил формулу расчета толщины сечения стружки при шлифовании, называемую теперь основным уравнением шлифования. Автор рассматривал абразивное зерно круга как точечный инструмент, снимающий с поверхности заготовки элементарную стружку. Однако в снятии общего припуска с заготовки участвует не одно, а относительно большое число зерен круга, то есть полная радиальная глубина шлифования распределяется между всеми режущими зернами. Отсюда вместе с термином глубина резания было введено и оборот понятие толщина среза, приходящегося на одно абразивное зерно.
Теория Олдена ставила своей задачей обеспечение наивыгоднейшего режима резания при шлифовании, который зависит от толщины срезаемого слоя приходящегося на единичное режущее зерно инструмента.
Благодаря отечественным и зарубежным ученым «первой волны» к началу Первой мировой войны была получена возможность объяснить основные явления, происходящие при резании материалов. Однако в целом, вплоть до публикации в 1906 году работы Ф.У. Тейлора, наука о резании материалов была оторвана от решения проблем практической металлообработки, от производства. Результаты были получены сравнительно ограниченным кругом ученых-резальщиков, работающих в высших учебных заведениях Англии, Германии, России, Франции и других стран. Будучи в большинстве своем высококлассными специалистами, они зачастую занимались исследованием процессов резания в результате вспыхнувшего интереса к этой области знаний. Выполнив исследование, получив даже основополагающие для науки о резании результаты, они переключались на другие интересующие их направления деятельности. Такими были артиллерист Кокила, горный инженер Тиме, артиллерист Брике, разработчик мельничных машин Афанасьев и др. Своим универсализмом они напоминают ученых эпохи Возрождения, когда художник одновременно был механиком, архитектором и ювелиром.
Из отечественных ученых, пожалуй, только Н.Н. Саввин, Р.В. Поляков и Т.И. Тихонов приоритетным направлением в жизни положили изучение явлений, происходящих при механической обработке материалов.
В России начала XX века наибольшее развитие исследования в области резания материалов получили в Петербургском политехническом институте Петра Великого и Императорском Московском техническом училище. Оба учебных заведения имели техническую базу для проведения необходимых экспериментов. Затем исследования начинают выполнять и в периферийных вузах. Выпускник Московского техническою училища (1903), инспектор Омского механико-технического училища Н.В. Погоржельский опубликовал в 1907 году в Бюллетене Политехнического общества статью «Теоретическое определение плоскостей скалывания при резании». В 1910 году были опубликованы результаты экспериментов на токарном, строгальном и фрезерном станках в механических мастерских Томского технологического института профессором Т.И. Тихоновым. С помощью пружинного динамометра собственной конструкции он констатировал снижение коэффициента резания с увеличением продольной подачи при постоянной скорости. Он же в 1912 году опубликовал работу «Изменение структуры железа при механической обработке».
Профессор Алексеевского Донского политехнического института в Новочеркасске Б.Г. Соколов опубликовал в 1914 году статью «О форме обдирочных резцов», в которой показан, что угол резания надо измерять в плоскости направления схода стружки по передней поверхности.
Период конца XIX – начала XX века был отмечен интенсивным развитием отечественной промышленности и острой потребностью в подготовке инженерных кадров. За короткий исторический срок в России была создана сеть высших технических учебных заведений. Кроме Императорского Московского технического училища (основано в 1830 году и преобразовано в высшее техническое заведение в 1868 г.), Санкт-Петербургского практического технологического института императора Николая I (основан в 1828 г.) и Рижского политехнического института (основан в 1862 г.) были созданы Харьковский технологический институт императора Александра III (1870), Томский технологический институт Императора Николая II (1900), Варшавский политехнический институт императора Николая II (1898), Киевский политехнический институт императора Александра I (1898), Санкт-Петербургский политехнический институт императора Петра Великого (1902), Алекссевский Донской политехнический институт в Новочеркасске (1907). Это привело к резкому увеличению численности инженеров, подготовленных в российских вузах. Если в 1884 году получили дипломы различных специальностей 3800 человек, то в 1900 году их было уже 15000, в 1908 году – 18500, а в 1917 году – 30800 человек. Всего в 1953/54 учебном году на механических отделениях 13 высших технических учебных заведений было 7608 студентов, или 28 % от всего числа обучающихся.
На этой кадровой и организационной базе в основном и начали исследовать процессы резания материалов в России. Параллельно с выполнением теоретических и экспериментальных исследований ведущие русские ученые готовили первые специальные учебные курсы для высших учебных заведений, в которых были представлены полученные ими научные результаты.
В России первый курс лекций по металлорежущим станкам был подготовлен в 1864 году преподавателем Санкт-Петербургского практического технологического института Н.Ф. Лабзиным. На основе результатов исследований Жосседя, Тиме и других ученых член Петербургской Академии наук профессор А.В. Гадолин опубликовал в 1875 году литографированное издание, а в 1885 году в Петербурге – печатное издание книги «Механическая технология», где предложил проводить изучение работы станков на основе анализа сил резания и представил формулу для их расчета.
А.В. Гадолин внес огромный вклад в науку опубликовав в 1877 году работу «Теория устройства перемены скоростей рабочего движения в токарных и сверлильных станках». Он предложил теорию расчета частот вращения шпинделей на основе геометрической прогрессии. А.В. Галодин определил диапазон геометрического рада, число ступеней и предложил формулы для расчета знаменателя ряда и для определения диаметров ступенчатых шкивов, обеспечивающих построение ряда чисел оборотов шпинделя по геометрической прогрессии. Эта работа положила начало научному подходу к назначению режима резания и стала основой кинематического расчета станков. Отметим, что преимущество построения чисел оборотов в станках по геометрической прогрессии, а не по арифметической доказал Макс Кронснбсрг в своей работе, опубликованной в 1927 голу, то есть более чем через 30 лет после Гадолина.
В 1879 году для студентов Императорского Московского технического училища было издано учебное пособие «Технология металла и дерева» В.А. Малышева.
Крупной работой в области технологии машиностроения явилось двухтомное пособие профессора Тиме «Основы машиностроения. Организация машиностроительных фабрик в техническом и экологическом отношении и производство механических работ», опубликованное в 1883 году.
Большое значение для учебного процесса имела книга выпускника Императорского Московского технического училища профессора А.П. Гавриленко «Механическая технология металлов» часть 4 «Обработка металлов на станках», опубликованная в Москве в 1911 году и переизданная в 1925 году. Книга имела практическую направленность, и основное внимание в ней было уделено работе на станках различного назначения. Ее, как и книгу Тиме, считают одним из первых капитальных трудов в области технологии машиностроения, которая в 30-е годы XX столетия оформилась как самостоятельная дисциплина.
В 1912 году «Курс механической технологии металлов» издал профессор Санкт-Петербургского университета Н.Н. Саввин.
Постепенно в конце XIX – начале XX века в ряде вузов России формируются направления исследований в области механической обработки металлов и дерева. Происходит образование кафедр, ведущих подготовку инженеров.
В Санкт-Петербургском политехническом институте в 1907 году организована кафедра механической технологии металлов. Заведующим кафедрой стал Саввин.
В Московском техническом училище в 1897 году Гавриленко организовал кафедру по технологии металлов и дерева, а в 1909 году была создана лаборатория резания металлов, обеспечившая проведение учебного процесса и научных исследований. Подготовка инженеров проходила в то время без разделения, на специальности. Специализация определялась при подготовке дипломного проекта.
Активные исследования процессов резания материалов были прерваны начавшейся в 1914 году Первой мировой войной. Большинство ученых сменили направление своей деятельности в пользу интересов воюющих армий своих стран. Так, Шлезингер занимался организацией производства вооружения для германской армии, Куррайн служил в военном арсенале вооруженных сил Австро-Венгрии, Саввин работай в Военно-промышленном комитете, Усачев разрабатывал конструкции электромагнитов для военных самолетов. Шверд разработал конструкцию печально знаменитой стальной каски немецкого образца, которая была принята в германской армии с декабря 1915 года.
Военные действия, охватившие многие государства мира, привели к приостановке научных исследований и к резкому увеличению выпуска оружия, боевой авиации, появлению танков, других новейших видов техники. Это вызвало необходимость практического использования основных результатов науки о резании материалов, обеспечило опережающее развитие различных технологий металлообработки. Например, в России из-за трудности приобретения металлорежущего оборудования за рубежом резко возросло собственное станкостроительное производство, необходимое для выпуска оружия и боеприпасов.