КОРОТКІ ІСТОРИЧНІ ВІДОМОСТІ ПРО РОЗВИТОК ВЕРСТАТОБУДУВАННЯ ТА ІНСТРУМЕНТАЛЬНОГО ВИРОБНИЦТВА

Очевидне формування науки відбулося в середині XIX століття, коли для цього дозріли об’єктивні умови. Справжню революцію в металообробці зробив суцільнометалевий токарно-гвинторізний верстат, створений в 1797 році англійським механіком Генрі Моделі. Верстат мав механічний супорт, що дозволяв обробляти металеві заготовки з високою точністю. Слідом за токарним в 1817 році створюються фрезерний верстат американцем Еліасом Уїтні і стругальний англійцем Річардом Робертсом. У 1835 році англійський винахідник Джозеф Витворт створив токарно-гвинторізний верстат з автоматичною поздовжньою і поперечною подачами, а в 1839 році Джеймс Несміт розробив довбальний верстат. У 1872 році був створений круглошліфувальний верстат з робочою швидкістю шліфування до 10 м / с. Розвиток військової техніки, залізничного і водного транспорту в другій половині XIX століття сприяв вдосконаленню верстатного обладнання. Починає розвиток крупносерійного і масового виробництва, в першу чергу в США. У токарних верстатах з’являються елементи автоматики, створюються перші револьверні верстати. У 1873 році американський інженер Крістофер Спенсер побудував перший верстат-автомат для виготовлення болтів, що став основою для створення в 1894 році багатошпиндельного верстата-автомата.
До 70-х років XIX століття в промислово розвинених країнах – Англії, США, Німеччині – фактично була створена верстатобудівельна промисловість. Виникла об’єктивна необхідність вивчення комплексу процесів, що відбуваються при механічній обробці сталевих заготовок і безпосередньо впливають на продуктивність і якість обробки.
Мабуть, першим дослідником процесу різання металу можна назвати американського фізика Бенджаміна Томсона, графа Румфорда, що жив в Європі і працював в Мюнхені, Лондоні і Парижі.

Бенджамин Томсон

Бенджамін Томсон

Спостерігаючи за висвердлюванням гарматних стволів на одній з фабрик в Німеччині, він прийшов до висновку, що причиною нагріву ствола є тертя свердла об метал. У 1798 році Томсон провів експеримент в області обробки різанням, який полягав у розсвердлюванні  притупленим свердлом дула шестифунтової бронзової гармати. Вертикально встановлена заготовка оберталася від приводу двома кіньми, перебуваючи в дерев’яному ящику з водою. Свердло проходило через дно ящика і розсвердлювало дуло від низу до верху під дією ваги заготовки. За розрахунками Томсона, за рахунок теплоти, що виділилася за три години свердління, можна було б закип’ятити 7 літрів води. Головним висновком за підсумками експерименту стало розуміння того, що механічна енергія при різанні не зникає, а переходить в теплову енергію.
Гірський інженер Тіме був одним з перших, хто почав вивчати питання, які є до наших днів основними в теорії різання матеріалів: процес стружкоутворення і опір матеріалу різанню.

Тиме И.А.

Тіме І.А.

У 1868 – 1869 рр. Тіме в майстернях Луганського ливарного заводу на строгальному верстаті досліджено процес утворення стружки при різанні. Результати дослідження він опублікував в 1870 році в роботі «Опір металів і дерева різанню. Теорія різання і додаток її до машин – знарядь». Робота була опублікована також французькою (1877) і німецькою (1892) мовами, а сам автор на її основі в грудні 1870 р захистив дисертацію на звання професора Санкт-Петербурзького гірничого інституту.
У першому розділі роботи Тіме описав стругальний верстат, на якому виконувалися дослідження, і приладдя для проведення дослідів.
Тут же наведена методика проведення дослідів і таблиці результатів дослідження опору різанню (сили різання) заліза, сталі, чавуну і бронзи для різних значень кута різання і перетину зрізу.
У наступних розділах Тіма викладає свій погляд на теорію різання металів: «Опір металів різанню можна розглядати як суму поступових елементарних опорів сколювання». Процес стружкоутворення , за Тіме, відбувається в результаті вдавлення різця в метал під дією зовнішньої сили.
Тіме розглянув питання про визначення чисельного значення коефіцієнта сколювання, і зробив припущення, що при обліку опору тертя рухомих частин верстата і тертя різця об оброблюваний метал значення коефіцієнта сколювання буде близьким до величини опору металу на розрив.
Тіме вперше дав класифікацію стружки (сколювання і надлому) і показав вплив властивостей матеріалу і умов різання на її форму. Він вперше ввів у науковий обіг поняття «усадка стружки». Усадка, на думку Тіме, обумовлена відносним переміщенням елементів при відділенні стружки.
Тіме ввів поняття «швидкість різця» (зараз – швидкість різання) і зазначив, що для кожного матеріалу є своє найвигідніше значення швидкості. Він вказав на те, що швидкість різця впливає на теплові явища при різанні.
У 1883 голу в книзі «Основи машинобудування» Тіме розвиває свою теорію, роблячи висновок, що товщина і ширина стружки роблять різний вплив на зусилля різання, а питома робота різання зменшується зі збільшенням товщини стружки. Тут Тіме приходить до твердження, що сила змінюється непропорційно зміни товщини зрізу.
Тіме не міг користуватися високоточним експериментальним обладнанням та відомостями з суміжних наук (за відсутністю таких), тому його досліди не давали точних результатів. Однак висновки, зроблені вченим на основі цих дослідів, принципово правильно пояснювали явища, що відбуваються при стружкоутворенні. Питання, порушені Тіме, отримали подальший розвиток і уточнення в працях дослідників з Росії, Німеччини, Англії та інших країн із застосуванням більш досконалого математичного апарату і методик дослідження.
Саме після робіт Тіме в науковий обіг було введено основні поняття процесу різання: усадка стружки, кут сколювання, площина сколювання, стружка сколювання, стружка надлому. Неважливо, що ці поняття пізніше уточнювалися, змінювалася термінологія, вводилися нові схеми. Роботи Тіме послужили тим фундаментом, на якому почалося побудова основ науки про різанні матеріалів.
Серед перших дослідників процесу різання слід також назвати професора Дрезденського політехнікуму Карла Ернеста Гартіга. У 1869 – 71 рр він досліджував залежність роботи різання від перетину стружки. Вимірювання зусиль різання проводилися за допомогою спеціального приводного (трансмісійного) динамометра. Гартіг показав, що витрата енергії на стружкоутворенні і тертя при струганні за однин і той же час убуває зі збільшенням площі поперечного перерізу стружки. Гартіг першим зробив висновок про те, що робота, необхідна для зняття стружки зменшується зі збільшенням поперечного перерізу стружки.
У 1881 голу професор Оксфордського університету Генрі Реджинальд Арнульф Меллок вперше досліджував мікрошліфи коренів стружки і підтвердив зсувний характер деформації металу. Вивчивши вплив мастильно-охолоджувальної рідини на процес різання, він вперше встановив, що водний розчин мила знижує кут зсуву.
У 1884 році професор Санкт-Петербурзького технологічного інституту П.А. Афанасьєв опублікував результати свого теоретичного дослідження під назвою «Визначення зусилля і його роботи при утворенні стружок».
Афанасьєв, зробивши всупереч теорії Тіма висновок про те, що стружка не завжди сколюється, розглянув випадок ії зламу в результаті вигину при просуванні по передній поверхні різця.
У 1893 році була опублікована книга «Робота і зусилля, необхідні для відділення металевої стружки», написана ад’юнкт-професором Харківського технологічного інституту К.А.Зворикіним, удостоєна в 1896 році премії Російського технічного товариства і стала класичною, як і публікації Тіме.

Зворыкин К.А.

Зворикін К.А.

Ця робота поставила Зворикіна в ряд вчених – основоположників науки про різання матеріалів. На превеликий жаль, Зворикін далі практично не звертався до тем, пов’язаних з різанням металів.
Працюючи з 1898 року з перервами в Київському політехнічному інституті, він віддав багато сил організації навчального процесу, підготовці нових навчальних курсів, робіт в області лиття, термообробки, вітряних двигунів і ін.
Значний крок у розумінні процесу стружкоутвореннія зробив викладач Михайлівській артилерійській академії А.А. Брікс. У 1896 році, провівши аналіз робіт Тіме, Тріска, Хауснсра, Афанасьєва, Зворикіна і зробивши спробу їх узагальнення, він публікує роботу «Різання металів (стругання)», де дає строго науковий опис стружкоутворення і уточнює терміни (ріжуче лезо, бічне лезо, передня грань, задня грань, кут заднього нахилу, кут загострення, кут різання і ін.), нині прийняті в теорії різання.
У 1900 році знаменитий німецький учений в області механіки, професор Берлінської політехнічної школи Франц Рело показав, що в оброблюваному матеріалі при різанні попереду рушійного клина виникає випереджальна тріщина. Пізніше це було підтримано іншими дослідниками. Завдяки цьому аж до 50-х років XX століття існувала думка про близькість механізмів різання металу і розщеплення деревини.

Франц Рело

Франц Рело

Рело вказав, також, що лунка зносу на передній поверхні різця зміщена на деяку відстань від ріжучої кромки. Починаючи з 90-х років XIX століття техніка проведення експерименту поступово вдосконалюється, методи аналітичних досліджень враховують все більше число значущих для процесу різання факторів. Розширюється область інтересів дослідників.
Англійський дослідник, представник Манчестерської технологічної школи Едвард Гейслер Герберт першим в 1908 році встановив немонотонний характер залежності стійкості інструменту від швидкості різання і зв’язав його з тепловими явищами в зоні різання. Він вважав, що при відносно низьких швидкостях різання (при низьких температурах) різець притупляється внаслідок викришування крайок, а при відносно високих – внаслідок сточування крайок.

Эдвард Гейслер Герберт

Едвард Гейслер Герберт

Значним етапом у розвитку розуміння процесу стружкоутворення і теплових явищ при різанні є експериментальне дослідження Я.Г. Усачова, який працював з 1908 року майстром на кафедрі, яку очолював Саввін, і в майстернях Санкт-Петербурзького політехнічного інституту.

Усачов Я.Г.

Усачов Я.Г.

Саме Усачов виготовив ряд експериментальних установок, в тому числі калориметр і динамометр, на яких Саввін проводив свої досліди.
Будучи висококласним майстром-самоучкою і талановитим експериментатором, Усачов незабаром став виробляти самостійні дослідження. У 1915 році він публікує роботу «Явища, що відбуваються при різанні металів», в якій аналізує погляди Тейлора і Тріска на процес стружкоутворення, експериментально підтверджує і розвиває положення про площині сколювання, висунуті Тіме.
Усачов займався дослідженням утворення наросту на різці, застосувавши для цього мікрофотографування, і оцінив вплив наростоутворення на процес різання, зокрема на сили і температуру, як позитивний фактор. Досліджуючи природу наросту, Усачов, на противагу Тейлору, прийшов до висновку, що він є не скупченням дрібних частини, а виникає внаслідок застою металу під час його деформації. На думку Усачова, утворення наросту – це «явище пристосовності природи, при якому процес відбувається з найменшою витратою енергії». Близьки погляди висловив пізніше (1926) Герберт з тією лише різницею, що причиною утворення наросту, на його думку, є не застій, а тертя між різцем і стружкою.
Тільки на початку XX століття (дещо пізніше вивчення питань, пов’язаних з лезовою обробкою) дослідники звернулися до вивчення явищ і процесів, що відбуваються при шліфуванні. Це пов’язано з тим, що промислові зразки шліфувальних верстатів були розроблені значно пізніше верстатів для лезової обробки, а штучні абразивні матеріали – електрокорунд і карбід кремнію – створені тільки в 90-і роки XIX століття.
Однією з перших капітальних робіт в області абразивної обробки стало дослідження професора Шарлоттенбургської вищої технічної школи Георга Шлезінгера, який в 1907 році визначив умови безпечної роботи на підвищених режимах шліфування при окружної швидкості кола 35 м / с. Приводом для проведення цих досліджень стало прагнення машинобудівних підприємств переглянути обмеження швидкості шліфування в 20 … 25 м / с, встановлені діючими нормами.

Георг Шлезингер

Георг Шлезінгер

У 1914 році американський вчений Джордж Олден представив формулу розрахунку товщини перетину стружки при шліфуванні, яка тепер називається основним рівнянням шліфування. Автор розглядав абразивне зерно кола як точковий інструмент, який знімає з поверхні заготовки елементарну стружку. Однак в знятті загального припуску з заготовки бере участь не одна, а відносно велике число зерен круга, тобто повна радіальна глибина шліфування розподіляється між усіма ріжучими зернами. Звідси разом з терміном глибина різання було введено і оборот поняття товщина зрізу, що припадає на одне абразивну зерно.
Теорія Олдена ставила своїм завданням забезпечення найвигіднішого режиму різання при шліфуванні, який залежить від товщини шару, що зрізається, який припадає на одиничне ріжуче зерно інструменту.
Завдяки вітчизняним і зарубіжним вченим «першої хвилі» до початку Першої світової війни була отримана можливість пояснити основні явища, що відбуваються при різанні матеріалів. Однак в цілому, аж до публікації в 1906 році роботи Ф.У. Тейлора, наука про різання матеріалів була відірвана від рішення проблем практичної металообробки, від виробництва. Результати були отримані порівняно обмеженим колом вчених, які працювали у вищих навчальних закладах Англії, Німеччини, Росії, Франції та інших країн. Будучи в більшості своїй висококласними фахівцями, вони часто займалися дослідженням процесів різання в результаті інтересу, який спалахував до цієї галузі знань. Виконавши дослідження, отримавши навіть основоположні для науки про різання результати, вони переключалися на інші питання та напрямки діяльності, що їх цікавили. Такими були артилерист Кокіла, гірничий інженер Тіме, артилерист Брике, розробник млинових машин Афанасьєв та ін. Своїм універсалізмом вони нагадують вчених епохи Відродження, коли художник одночасно був механіком, архітектором і ювеліром.
З вітчизняних вчених, мабуть, тільки М.М. Саввін, Р.В. Поляков і Т.І. Тихонов пріоритетним напрямком в житті поклали вивчення явищ, що відбуваються при механічній обробці матеріалів.
У Росії початку XX століття найбільший розвиток дослідження в області різання матеріалів отримали в Петербурзькому політехнічному інституті Петра Великого і Імператорському Московському технічному училищі. Обидва навчальні заклади мали технічну базу для проведення необхідних експериментів. Потім дослідження починають виконувати і в периферійних вузах. Випускник Московського техничного училища (1903), інспектор Омського механіко-технічного училища Н.В. Погоржельський опублікував в 1907 році в Бюлетені Політехнічного суспільства статтю «Теоретичне визначення площин сколювання при різанні». У 1910 році були опубліковані результати експериментів на токарному, строгальному і фрезерному верстатах в механічних майстернях Томського технологічного інституту професором Т.І. Тихоновим. За допомогою пружинного динамометра власної конструкції він констатував зниження коефіцієнта різання зі збільшенням поздовжньої подачі при постійній швидкості. Він же в 1912 році опублікував роботу «Зміна структури заліза при механічній обробці».
Професор Олексіївського Донського політехнічного інституту в Новочеркаську Б.Г. Соколов опублікував в 1914 році статтю «Про форму обдирних різців», в якій показано, що кут різання треба вимірювати в площині напряму сходу стружки по передній поверхні.
Період кінця XIX – початку XX століття був відзначений інтенсивним розвитком вітчизняної промисловості і гострою потребою в підготовці інженерних кадрів. За короткий історичний термін в Росії була створена мережа вищих технічних навчальних закладів. Крім Імператорського Московського технічного училища (заснованио в 1830 році і перетворено на вищий технічний заклад в 1868 р), Санкт-Петербурзького практичного технологічного інституту імператора Миколи I (заснований в 1828 р) і Ризького політехнічного інституту (заснований в 1862 р) були створені Харківський технологічного інституту імператора Олександра III (1870), Томський технологічний інститут імператора Миколи II (1900), Варшавський політехнічний інститут імператора Миколи II (1898), Київський політехнічний інститут імператора Олександра I (1898), Санкт-Петербурзький політехнічний інститут імператора Петра Великого ( 1902), Олексіївский Донський політехнічний інститут в Новочеркаську (1907). Це призвело до різкого збільшення чисельності інженерів, підготовлених в російських вузах. Якщо в 1884 році отримали дипломи різних спеціальностей 3800 осіб, то в 1900 році їх було вже 15000, в 1908 році – 18500, а в 1917 році – 30800 осіб. Всього в 1953/54 навчальному році на механічних відділеннях 13 вищих технічних навчальних закладів було 7608 студентів, або 28% від усієї кількості учнів.
На цій кадровій і організаційної базі в основному і почали досліджувати процеси різання матеріалів в Росії. Паралельно з виконанням теоретичних і експериментальних досліджень провідні російські вчені готували перші спеціальні навчальні курси для вищих навчальних закладів, в яких були представлені отримані ними наукові результати.
В Росії перший курс лекцій з металорізальних верстатів був підготовлений в 1864 році викладачем Санкт-Петербурзького практичного технологічного інституту Н .Ф. Лабзіна. На основі результатів досліджень Жосседя, Тіме і інших вчених член Петербурзької Академії наук професор А.В. Гадолін опублікував в 1875 році літографоване видання, а в 1885 році в Петербурзі – друковане видання книги «Механічна технологія», де запропонував проводити вивчення роботи верстатів на основі аналізу сил різання і представив формулу для їх розрахунку.
А.В.Гадолін вніс величезний внесок в науку, опублікувавши в 1877 році роботу «Теорія пристроїв зміни швидкостей робочого руху в токарних і свердлильних верстатах». Він запропонував теорію розрахунку частот обертання шпинделів на основі геометричної прогресії. А.В.Галодін визначив діапазон геометричного рада, число ступенів і запропонував формули для розрахунку знаменника ряду і для визначення діаметрів східчастих шківів, що забезпечують побудову ряду чисел оборотів шпинделя по геометричній прогресії. Ця робота поклала початок науковому підходу до призначення режиму різання і стала основою кінематичного розрахунку верстатів. Відзначимо, що перевага побудови чисел оборотів в верстатах по геометричній прогресії, а не по арифметичній довів Макс Кронснбсрг в своїй роботі, опублікованій в 1927 голу, тобто більш ніж через 30 років після Гадоліна.
У 1879 році для студентів Імператорського Московського технічного училища було видано навчальний посібник «Технологія металу і дерева» В.А. Малишева.
Великою роботою в області технології машинобудування стало двотомне посібник професора Тіме «Основи машинобудування. Організація машинобудівних фабрик в технічному та екологічному відношенні і здійснення механічних робіт », опубліковане в 1883 році.
Велике значення для навчального процесу мала книга випускника Імператорського Московського технічного училища професора А.П. Гавриленко «Механічна технологія металів» частина 4 «Обробка металів на верстатах», опублікована в Москві в 1911 році і перевидана в 1925 році. Книга мала практичну спрямованість, і основну увагу в ній було приділено роботі на верстатах різного призначення. Її, як і книгу Тіме, вважають одним з перших капітальних праць в галузі технології машинобудування, яка в 30-ті роки XX століття оформилася як самостійна дисципліна.
У 1912 році «Курс механічної технології металів» видав професор Санкт-Петербурзького університету М.М. Саввін.
Поступово в кінці XIX – початку XX століття в ряді вузів Росії формуються напрямки досліджень в області механічної обробки металів і дерева. Відбувається утворення кафедр, які готують інженерів.
У Санкт-Петербурзькому політехнічному інституті в 1907 році організована кафедра механічної технології металів. Завідувачем кафедри став Саввін.
У Московському технічному училищі в 1897 році Гавриленко організував кафедру по технології металів і дерева, а в 1909 році була створена лабораторія різання металів, що забезпечила проведення навчального процесу і наукових досліджень. Підготовка інженерів проходила в той час без поділу, на спеціальності. Спеціалізація визначалася при підготовці дипломного проекту.
Активні дослідження процесів різання матеріалів були перервані Першою світовою війною, яка почалася в 1914 році. Більшість вчених змінили напрямок своєї діяльності на користь інтересів воюючих армій своїх країн. Так, Шлезінгер займався організацією виробництва озброєння для німецької армії, Куррайн служив у військовому арсеналі збройних сил Австро-Угорщини, Саввін працював у Військово-промисловому комітеті, Усачов розробляв конструкції електромагнітів для військових літаків. Шверд розробив конструкцію сумнозвісної сталевий каски німецького зразка, яка була прийнята в німецькій армії з грудня 1915 року.
Військові дії, що охопили багато держав світу, привели до припинення наукових досліджень і до різкого збільшення випуску зброї, бойової авіації, появи танків, інших новітніх видів техніки. Це викликало необхідність практичного використання основних результатів науки про різанні матеріалів, забезпечило випереджальний розвиток різних технологій металообробки. Наприклад, в Росії через труднощі придбання металорізального обладнання за кордоном різко зросло власне верстатобудівельне виробництво, необхідне для випуску зброї та боєприпасів.