Введение

Металлорежущий инструмент является одним из важнейших орудий производства. Он используется при обработке резанием всевозможных деталей на металлорежущих станках. Режущая часть инструмента непосредственно соприкасается с материалом заготовки и срезает его в виде стружки. В результате срезания части материала заготовки формируется обработанная поверхность детали.

Инструменты появились на ранней ступени развития человеческого общества, когда первобытный человек в помощь себе начал создавать первые орудия из камня, кости, дерева и других материалов. Уже в эпоху неолита человек достиг большого мастерства в изготовлении самых разнообразных каменных орудий; скребков, резцов, наконечников, топоров, долот. Однако их дальнейшее развитие требовало нового, более прочного материала, так как каменные орудия были хрупкими и часто ломались. Замечательным достижением первобытного человека было освоение огня. С его помощью в III...I тысячелетиях до н. э. люди научились получать медь и олово и выплавлять из них бронзу. Однако достоинство бронзы, заключающееся в ее сравнительно высокой прочности, было не настолько большим, чтобы бронзовые инструменты могли полностью заменить каменные. Каменные и бронзовые орудия дополняли друг друга, но даже вместе они не могли удовлетворить возрастающие производственные потребности людей. Революционизирующую роль в развитии инструментов сыграло железо. Оно дало ремесленнику инструменты такой твердости и остроты, которым не мог противостоять ни один из известных тогда материалов. В средние века по мере развития ремесленного производства номенклатура инструмента стала расширяться (использовались такие инструменты, как всевозможные напильники, резцы, перовые сверла, метчики и плашки, шлифовальные круги). На смену ремесленному производству пришел мануфактурный период. Он ознаменовался тем, что производство было разделено на ряд операций и каждая операция выполнялась отдельным рабочим. Дифференциация производственного процесса на отдельные операции способствовала специализации инструментов, приспособлению их к определенным операциям, созданию и применению станков. В этот период станки были сравнительно простыми. Использовались главным образом токарные и сверлильные станки. Режущий инструмент при работе на них рабочий держал в своих руках. Работа на таких станках требовала большого мастерства и физической силы и не обеспечивала высокой точности изготовления изделий и производительности труда.

 

Резкий скачок в развитии производительных сил общества наблюдается при переходе от мануфактурного производства к машинной индустрии. В инструментальном производстве сущность промышленной революции XVIII в. заключалась в переходе от ручного к машинному инструменту. Это стало возможным благодаря изобретению суппорта — механизма, который держал резец и заменил таким образом руки человека.


Токарные станки с суппортом впервые были построены в России А. К. Нартовым (1693—1756). Коллекция А. К. Нартова в Эрмитаже насчитывает более 50 типов инструментов.

Внедрение станков и машинных инструментов позволило вывести мощность орудий труда далеко за пределы физических возможностей человека. Если рабочий-ремесленник держал инструмент в руках и не мог развивать большие усилия, то применение машин сняло эти ограничения, что позволило резко поднять мощности станков и обеспечить рост производительности труда. Примером могут служить тяжелые токарные станки, резцы которых могут снимать стружку площадью сечения до 120 мм2, что соответствует нагрузке на резец порядка 15....20 т. Изготовляются протяжные станки с усилием 100 тс, карусельные станки высотой с трехэтажный дом и др.

Рабочий-ремесленник не мог одновременно вести обработку несколькими инструментами. Внедрение машинных инструментов позволило создавать и успешно эксплуатировать станки с большим числом инструментов, с большим числом «железных рук». Так, при обработке отверстий применяются многошпиндельные сверлильные станки, число шпинделей у которых достигает нескольких десятков.

Переход к машинной индустрии привел к чрезвычайно бурному развитию инструментов и созданию новых их типов.

Во второй половине XIX в. появляются такие инструменты, как спиральное сверло, развертка, зенкер, разнообразные фрезы, в том числе затылованные фасонные фрезы. В конце XIX — начале XX в. стали использоваться в производстве такие сложные инструменты, как червячные фрезы, зуборезные долбяки, гребенки и др. Двадцатые годы XX в. характеризуются внедрением такого инструмента, как протяжка, которая в настоящее время находит широкое применение. В силу высокой производительности и качества обработки. В этот же период начинают применять всевозможные комбинированные инструменты, наборы инструментов, позволяющие совмещать различные операции.

Создание новых станков и инструментов способствует повышению эффективности обработки всевозможных деталей машин. Практика показывает, какое огромное влияние оказывает инструмент на развитиe техники обработки материалов резанием. Так, на примере из истории развития зуборезного производства можно показать, как усовершенствование инструмента, изобретение его новых типов влекут за собой новые конструкции станков. Известно, что вначале зубчатые колеса изготовлялись с помощью литья. Когда же потребовалась большая точность, был разработан метод обработки колес копированием фасонной зуборезной фрезой на фрезерном старке. После фрезерования одной впадины заготовку поворачивают на один зуб и производят обработку следующей впадины. Цикл повторяется до тех пор, пока не будут обработаны все впадины зубьев. К концу XIX в. зуборезная фасонная фреза по точности и производительности обработки зубчатых колес перестала удовлетворять возросшим требованиям промышленности. Это привело к созданию нового метода непрерывной обработки зубчатых колес—метода обкатки, который позволил резко повысить производительность и точность обработки зубчатых колес. На смену фасонной зуборезной фрезе пришла червячная, которая на сегодняшний день является самым распространенным зуборезным инструментом. Червячная фреза привела к созданию специального зубофрезерного станка.

 

В начале XX в. появляются два новых метода обработки колес с помощью зуборезных гребенок и долбяков, которые превосходят червячную фрезу по точности эвольвентного профиля нарезаемого, колеса. В результате зубодолбежные и зубострогальные станки начали, в частности в автомобилестроении, вытеснять зубофрезерные.

С 1932 г. быстро распространяется в зуборезном производстве процесс шевингования для окончательной обработки незакаленных зубчатых колес и соответствующие зубошевинговальные станки. В связи с внедрением процесса шевингования возросла роль червячной фрезы, поскольку обработка колес такими инструментами более производительна по сравнению с обработкой долбяками, а точность, которую дает червячная фреза, удовлетворяет требованиям, предъявляемым к колесам, подвергающимся шевингованию. Изобретение зубодолбежных головок для одновременной обработки методом копирования всех впадин зубчатого колеса, зуборезных обкаточных резцов, цепных протяжек для протягивания колес методом обкатки способствовало появлению новых зуборезных станков.

Одной из основных прогрессивных тенденций развития металлорежущих инструментов явилась разработка новых инструментальных материалов, позволяющих увеличивать скорости резания и соответственно повышать производительность труда.

До начала XX в. основным инструментальным материалом была углеродистая инструментальная сталь. Инструменты, изготовленные из этого материала, работали со скоростями резания около 5.... 10 м/мин. Развитие инструментальных материалов привело к появлению быстрорежущей стали, инструменты из которой позволили повысить скорость резания до 30....40 м/мин. Подобное повышение скорости резания не могло не отразиться на конструкции металлорежущих станков. Станки, имеющие большую частоту вращения, стали более жесткими, более массивными. Групповой трансмиссионный привод был заменен индивидуальным. Примером наиболее совершенного токарного станка, предназначенного для обработки деталей машин быстрорежущими резцами, может служить станок ДИП завода «Красный пролетарий». Первая партия из 10 токарно-винторезных станков ДИП-200 была выпущена к 1 мая 1932-г. Эти станки с высотой центров 200 мм имели индивидуальный электропривод, обеспечивающий максимальную частоту вращения шпинделя 600 об/мин.

 

Дальнейший прогресс машиностроения связан с применением твердых сплавов в качестве материала режущих инструментов. Использование твердых сплавов позволило увеличить скорости резания в 3...4 раза по сравнению со скоростями быстрорежущих инструментов. Подобное резкое увеличение скорости резания настоятельно потребовало создания новых металлорежущих станков, соответствующих возможностям новых инструментов. Поэтому на заводе «Красный пролетарий» был создан и в ноябре 1956 г. запущен в производство станок 1К62 с частотой вращения от 12,5 до 2000 об/мин. Таким образом, внедрение новых, более совершенных инструментальных материалов приводит к соответствующему изменению конструкций металлорежущих станков, заставляет проектировать их более мощными и жесткими.

Режущий инструмент не только влияет на конструкцию станков, технологию изготовления изделий, но и в определенной степени воздействует на конструктивные формы деталей машин. Так, появление и широкое распространение в машиностроении шлицевых соединений стало возможным благодаря применению метода протягивания.

Говоря о влиянии режущего инструмента на конструкцию станков, технологию машиностроения, нельзя забывать о их диалектической взаимосвязи. Приведем ряд примеров, показывающих, как развитие технологии машиностроения и станков влияет на развитие инструментального производства. Например, развитие тяжелого станкостроения потребовало создания новых конструкций крупногабаритных инструментов. Потребность в обработке с высокой точностью и большой производительностью мелкомодульных зубчатых колес поставила перед инструментальщиками задачу создания соответствующих мелкомодульных зуборезных инструментов — долбяков и шеверов т - 0,4... ...1,0 мм, которая была успешно решена на Московском инструментальном заводе.

Создание автоматического завода поршней потребовало разработки режущих инструментов с высокой размерной стойкостью, способных обрабатывать детали в течение не менее одной смены. Эта задача успешно была решена Всесоюзным научно-исследовательским инструментальным институтом. В современных же условиях скоростного резания время, необходимое для вспомогательных процессов, стало оказывать большое влияние на производительность труда. Например, при токарной обработке быстрорежущими резцами машинное время составляло 9,6 мин, а вспомогательное — 5 мин. В результате внедрения скоростного резания машинное время сократилось до 1 мин, поэтому в течение 1 ч токарь стал физически трудиться 50 мин, а станок — только 10. В настоящее время для повышения производительности труда, облегчения условий работы возникла потребность широкого внедрения автоматизированных производственных процессов, где все функций станочника заменяются техническими средствами, созданными на основе достижений науки. В автоматизированном производстве используются как стандартные инструменты универсальных станков, так и специальные инструменты с обновляющейся в процессе резания режущей кромкой, инструменты с автоматической подналадкой, инструменты с настройкой на размер вне станка, устройства для автоматической замены изношенного инструмента в процессе работы. Инструментальное производство тесно связано с развитием машиностроения. Успешное развитие любого машиностроительного производства в значительной степени зависит от того, насколько оно обеспечено надлежащим количеством инструмента.

Инструментальное производство в СССР развивается по двум направлениям:

  1. Организация специальных инструментальных заводов, поставляющих на рынок нормализованный инструмент.

  2. Организация внутризаводского производства инструмента, сосредоточенного в инструментальных цехах машиностроительных предприятий.

В дореволюционное время в России не было ни одного специализированного инструментального завода. Режущий инструмент для собственных нужд изготовляли Тульский, Путиловский, Ижевский, Златоустовский, Обуховский и другие заводы. В результате около 90 % всего потребляемого инструмента ввозилось в Россию из-за границы.

В 1919 г. был организован специализированный государственный   Московский инструментальный завод (МИЗ). Его основными изделиями стали фрезы, метчики, плашки, развертки, сверла. Производство инструмента было организовано на основе разделения процесса производства на ряд элементарных операций и выполнения каждой операции отдельным рабочим на определенном станке, оснащенном специальным приспособлением. Благодаря этому завод добился эффективных результатов, не имея рабочих-инструменталыциков высокой квалификации. Эти методы впоследствии были использованы как при организации новых, так и при реконструкции действующих предприятий. В период восстановления народного хозяйства наряду с Московским инструментальным заводом функционировали также заводы им. Воскова в Сестрорецке, им. Ленина в Златоусте, завод режущих инструментов в Харькове, напилочные заводы в Миассе и Луганске.

Главным достижением первой пятилетки в инструментальном производстве были постройка и пуск крупнейшего завода режущих инструментов «Фрезер» им. М. И. Калинина. После пуска завода «Фрезер» завод МПЗ прекратил производство сверл, метчиков, разверток и приступил к освоению таких сложных и точных инструментов, как зуборезные гребенки, зубострогальные резцы для конических колес, долбяки, протяжки, шлицевые и специальные фрезы.

Несмотря на значительный рост, специализированная инструментальная промышленность к началу Великой Отечественной войны удовлетворяла лишь небольшую часть потребности страны в металлообрабатывающем инструменте. Преобладающая часть инструмента производилась в инструментальных цехах машиностроительных заводов. Крупные инструментальные цехи были созданы на тракторных, автомобильных, авиационных и других заводах. К концу 1940 г. наша страна отказалась от импорта режущего инструмента.

В годы Великой Отечественной войны в результате перебазирования промышленности на восток страны количество специализированных инструментальных заводов почти удвоилось. Были созданы инструментальные заводы в Томске, Новосибирске, Оренбурге, Свердловске.
 

В послевоенный период расширение производства инструмента шло по пути внедрения прогрессивных методов их изготовления и организации новых инструментальных заводов в Виннице, Львове, Минске, Вильнюсе, Белгороде, Фрунзе и других заводах. Были достигнуты положительные результаты в повышении технического уровня выпускаемого инструмента. Увеличился выпуск инструмента из быстрорежущих сталей повышенной производительности, цельного твердосплавного инструмента, инструмента с неперетачиваемыми пластинами, прецизионного, повышенной точности.

В дореволюционный период в стране не было заводов по производству абразивного инструмента. Первой такой завод «Ильич» был построен в 1922 г. в Ленинграде, а первые в СССР цехи по производству электрокорунда и карбида кремния были пущены на этом же заводе в 1931 г. В 1933 г. вступил в строй Челябинский, а в 1939 г. Запорожский абразивные заводы.

Большое влияние на ускорение темпов технического прогресса в машиностроении оказало внедрение алмазных и других инструментов из сверхтвердых материалов. Новая подотрасль промышленности по производству сверхтвердых материалов и инструментов из них была сформирована в нашей стране еще в восьмой пятилетке. В девятой пятилетке в промышленность были широко внедрены новые поликри- сталлические инструментальные материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора. Благодаря этому была создана гамма лезвийных инструментов (резцов, фрез) для обработки деталей из цветных металлов, твердого сплава, закаленных сталей и т. д. По объему производства сверхтвердых инструментальных материалов и инструмента из них наша страна вышла на первое место в мире. Инструменты из сверхтвердых материалов выпускают такие заводы, как Полтавский искусственных алмазов и алмазного инструмента, Ленинградский абразивный («Ильич»), Львовский и Томилинский алмазного инструмента, Ташкентский абразивный комбинат и др. Таким образом, за годы Советской власти в СССР создано мощное инструментальное производство, способное изготовлять любые режущие инструменты. Если дореволюционная Россия ввозила инструменты из-за границы, то теперь СССР не только обеспечивает свои потребности в нем, но и экспортирует его в десятки стран мира.

Значительное развитие исследования в области обработки металлов режущими инструментами получили в нашей стране после Великой Октябрьской социалистической революции. Большой вклад в разработку теории процесса резания, проектирования режущих инструментов внесли лаборатории вузов, в частности Московского высшего технического училища им. Баумана, Московского станкоинструментального и авиационного институтов, Харьковского, Киевского, Ленинградского, Томского политехнических институтов и др.

Значительные творческие работы проведены также коллективами заводов и их технологическими лабораториями.

Исследования по обработке металлов резанием широко развернуты также в отраслевых научно-исследовательских институтах (ВНИИ, ЭНМИСе, ЦНИИТМаше).

Параллельно с развитием социалистического народного хозяйства в Советском Союзе успешно решается задача подготовки инженерно- технических кадров. В 1930 г. был создан Московский станкоинструментальный институт. В этот же период началась подготовка инженеров, специализирующихся в области станкостроения и инструментального производства в МВТУ им. Баумана, Киевском, Харьковском, Одесском политехнических институтах и др. При обработке резанием необходимо учитывать ее высокую маневренность и гибкость, возможность изготовления самых разнообразных деталей, ограниченных сложными фасонными поверхностями, относительно малое влияние свойств обрабатываемого материала на точность и качество обработки, более высокую точность размеров по сравнению с другими методами обработки, сравнительно малую стоимость инструмента, большую гибкость станков при переналадке, малые удельные затраты энергии.

Совершенствование заготовительных процессов приводит к увеличению доли чистовой обработки, но не исключает обработку резанием.

Усложнение конструкций машин, повышение их точности и качества приводят к тому, что, несмотря на развитие других методов обработки металлов, доля обработки резанием в машиностроении существенно не изменяется, а объем ее значительно возрастает. В ближайшем обозримом будущем резание останется наиболее распространенным видом обработки, в решающей степени определяющим экономические показатели машиностроения, трудоемкость изготовления и качество машин.