Применение твердых сплавов для изготовления сверл, разверток, зенкеров показало, что в ряде случаев при обработке стали это не дает существенного эффекта, а иногда даже дает отрицательные результаты. Исследование “резательных” механизмов этого явления показало, что зависимость пути, пройденного инструментом до затупления от скорости в этом случае носит экстремальный характер.
Переход на более высокий режим резания при обработке твердосплавным инструментом позволил обнаружить проблему завивания и удаления стружки из зоны резания. При высоких режимах резания в зоне резания отсутствует нарост или сильно развитая застойная зона, и образующаяся при этом стружка имеет малую кривизну, получается более пластичной и прочной, что создает опасность для станочника.
Создание минералокерамического инструмента, исследования механизмов резания выявило возможность его применения для чистового точения чугуна, сталей с большими скоростями и весьма ограниченным количеством перерывов в работе (из-за низкого сопротивления циклическому изменению температуры). Механизмы воздействия процесса резания на поверхностный слой изделия обусловливают возможность снижения неточностей обработки. Основной путь воздействия – уменьшение сечения среза. Однако значительное уменьшение припуска на обработку во многих случаях оказывалось невозможным из-за необходимости устранять неточности предыдущей обработки или из-за потери устойчивости процесса. В то же время значительное уменьшение подачи иногда приводило к уменьшению точности обработки из-за увеличения размерного износа, а также к резкому снижению производительности.
Наука о резании материалов, исследуя эти противоречия, постепенно находила приемлемые решения, устанавливала необходимые закономерности для выбора оптимальных условий и характеристик процессов резания.
Одним из методов, принятых наукой о резании материалов, является разделение припуска на несколько проходов или между рядом последовательно работающих режущих зубьев. На принципе разделения припуска был разработан метод шлифования. При каждом проходе глубина резания остается незначительной, высокая точность обработки достигается за счет сглаживания поверхности большим числом зерен.
Для повышения точности обработки были использованы принципы частичного замыкания сил резания в жестком контуре (например, при развертывании круглых отверстий, протягивании отверстий осесимметричной формы), уменьшения колебаний силы резания и деформации упругой системы, снижения автоколебаний в процессе резания, регулирования скорости резания. Скорость резания может влиять на точность обработки через изменение интенсивности размерного износа, величины и направления силы резания, развитие нароста и застойной зоны, тепловых деформаций деталей и инструмента, дисбаланса вращающихся частей системы станок-инструмент-изделие. Выявлено влияние механизма процесса резания на качество, свойства и состояние поверхностного слоя обрабатываемых изделий. Основные средства регулирования качества поверхностного слоя: параметры процесса резания, геометрия режущей части инструмента и сечения среза, качество и химический состав инструментального материала, интенсивность и методы охлаждения, допустимое значение износа режущего инструмента.
Наука о резании материалов установила, что производительность процесса резания возрастает прямо пропорционально увеличению суммарной длины одновременно работающих режущих кромок, а качество обработанной поверхности при этом изменяется мало. При увеличении толщины среза производительность растет меньше, чем при увеличении суммарной длины рабочих участков режущих кромок, так как при этом приходится более существенно снижать скорость резания для сохранения заданной стойкости инструмента. При значительном увеличении толщины необходимо применять более прочный, но менее износостойкий материал инструмента, что дополнительно снижает скорость резания. Кроме того, увеличение толщины среза снижает качество обработанной поверхности. Поэтому повышение производительности за счет увеличения толщины среза более эффективно при обдирочных работах. При резании новых материалов влияние условий резания на характеристики процесса резания может не подчиняться известным закономерностям. Например, при точении молибдена со скоростями резания, обеспечивающими стойкость резца более 30 минут, подача практически не влияет на износостойкость резцов; при резании на воздухе производительность твердосплавных резцов ниже, чем быстрорежущих. Применение охлаждающе-смазочных жидкостей резко снижает стойкость быстрорежущих резцов и повышает стойкость твердосплавных. Для материалов, таких как молибден, вольфрам, механические свойства не характеризуют их обрабатываемость, а стойкость инструмента не характеризует количество изделий, обработанных до его затупления. Значительная часть поломок твердосплавного инструмента не является случайной и связана с закономерным возникновением и развитием трещин, вызванных циклическими термодинамическими нагрузками на режущий инструмент. В связи с этим, большое значение приобретает изучение закономерностей влияния условий резания на напряжения и схемы разрушения рабочей части инструмента. Так как возникновение и развитие трещин зависит от свойств твердого сплава, то проблема повышения прочности инструмента зависит также от стабильности этих свойств.
За последние годы появились новые методы обработки металлов, основанные на использовании разрушения их поверхности электроэрозией, анодным растворением, электронным лучем, ультразвуком. Однако при обработке наиболее распространенных машиностроительных материалов резание обеспечивает производительность в несколько раз большую при удельных затратах электроэнергии в десятки раз меньших. Поэтому вполне закономерным является вывод о том, что в обозримом будущем обработка резанием в машиностроительном производстве сохранит свое приоритетное значение и ее объем будет неуклонно возрастать.
Учитывая многогранность явлений, протекающих при резании материалов, в их исследовании принимают участие различные фундаментальные науки. Они распределили между собой задачи исследования механизмов явлений, протекающих при резании, следующим образом:
* механизмы действия сил, обусловливающих удаление срезаемого слоя с заготовки в виде отделяемых элементов, составляют заботу механики (следует отметить, что это выражение надо понимать пока в гипотетическом смысле, так как современные исследователи в области механики чаще всего обходят стороной явления резания металлов);
* физику и теплофизику интересуют механизмы электрических явлений, выделения тепла, образования распространения тепловых потоков между инструментом, заготовкой и стружкой; появления колебаний, вибраций в зоне резания;
* трибологию, трибонику ( от греческого слова tribos, трение) занимают проблемы, связанные с изучением трения между режущим клином инструмента, стружкой и обработанной поверхностью изделия, износа режущих инструментов и формирования рельефа обработанной поверхности;
* химию интересуют проблемы действия смазочных и охлаждающих свойств сложных органических соединений, используемых в процессе резания;
* технологию металлов как науку о способах получения и свойствах металлов, сплавов и неметаллических материалов, интересует действие исходных физико-механических свойств сырья, заготовок, используемых для изготовления изделий;
* металловедение как раздел технологии металлов занимают проблемы структурных изменений поверхности инструментальных материалов, в ходе разрушительного воздействия процесса резания;
* науку о прочности материалов (сопротивление материалов) интересуют проблемы деформации срезаемого слоя под действием режущего клина-индентора;
* технологию машиностроения интересуют проблемы обеспечения с помощью различных этапов резания ( различными режущими инструментами) оптимальных условий формообразования поверхностей изделий и технико-экономических показателей производственных процессов.
Если на этом закончить перечисление механизмов явлений, исследуемых науками, то это значит что не сказать о том, что явления обработки материалов резанием входят также в круг проблем экономической науки, кибернетики и других. Встает вопрос о том, что же изучает сама наука о резании материалов? Механизмы каких же явлений, протекающих при резании материалов приходятся на долю самой науки о резании материалов? Учитывая приведенный выше исторический обзор этапов развития науки о резании, считаем что такими механизмами являются: 1)механизмы поведения режущего инструмента и обрабатываемого материала в изменяющихся условиях резания, определяющие искусство резать один материал другим (со снятием стружки); 2) механизмы стабильного функционирования процесса резания как прообраза технологической операции формирования поверхностей изделия.
Механизмы первой группы составляют сущность искусства резания – онтологию процесса резания. Каждая теоретическая структура непременно опирается на определенные онтологические представления, составляющие ее устойчивое содержательное основание и подвергающееся изменениям по мере развития познания. В онтологию резания входят прежде всего задачи отбора, ориентации и управления поведением режущего инструмента в изменяющихся условиях процесса резания; геометрического, структурного и математического моделирования процесса резания как регулируемой термодинамической системы отделения срезаемого слоя; анализа систем процесса резания и его экспериментального исследования.
Механизмы второй группы – обеспечения стабильного резания одного металла другим наиболее близки к решению проблем обрабатываемости материалов резанием с применением конкретных режущих инструментов и условий резания, получения заданных параметров точности обработки и качества поверхностного слоя.