Томская научная школа резания металлов
Томская школа резания металлов - научная школа, в формирование и развитие которой большой вклад внесли ученые Томского политехнического института - А.М. Розенберг, А.Н. Добровидов, Г.Л. Куфарев, А.Н. Еремин, В.Д. Кузнецов, М.Ф. Полетика.
Предпосылки
Профессора Томского технологического института Т.И. Тихонов, И.И. Бобарыков, Н.В. Гутовский, Н.И. Карташов, А.П. Малышев, И.Н. Бутаков создали первые основные лаборатории общего и специального назначения по металловедению и металлографии, холодной и горячей обработки металлов, по сопротивлению материалов и деталям машин, в которых не только готовились высококвалифицированные инженеры-механики, но и формировались научные направления, имеющие высокую значимость для всей страны.
1920-е - 1930-е гг. А.М. Розенберг
В 1929 г. аспирантом профессора Т.И. Тихонова А.М. Розенбергом была опубликована статья, посвященная экспериментальному исследованию процесса образования металлической стружки. Все металлографические исследования процесса образования стружки были выполнены в специальной металлографической лаборатории на весьма совершенной для того времени аппаратуре, под руководством и с помощью квалифицированных металлографов Т.И. Тихонова и его ученика А.Н. Добровидова.
А.М. Розенберг экспериментально доказал, что деформация металла при резании распространяется не только далеко впереди резца, но и ниже линии среза, указал на четко выраженную границу между стружкой и обрабатываемым материалом, выявил направление наибольшей вытянутости зерен металла (текстуры) и наличие вторичной деформации металла стружки в слоях, прилегающих к передней грани резца.
Результаты, полученные А.М. Розенбергом в этой работе, сохраняют свою научную ценность и до настоящего времени.
В этот период, несмотря на достаточно большое количество экспериментальных исследований, не существовало единого мнения по целому ряду основных вопросов теории резания.
Именно поэтому научные исследования кафедры были направлены на отыскание более общих закономерностей процесса резания и взаимосвязей различных параметров и характеристик, позволяющих объяснить имевшиеся противоречия, накопленные мировой практикой экспериментов.
На этом этапе исследованиями в области резания металлов руководил А.М. Розенберг, прошедший длительную стажировку в Берлине (1930 г.) у профессора Шлезингера, бывшего в то время признанным авторитетом в теории резания.
Возглавив в 1931 г. вновь образованную кафедру механосборочного производства, А.М. Розенберг сразу же занялся организацией материальной базы для расширения исследовательских работ. Созданная им в короткий срок лаборатория резания металлов была оснащена привезенной из Германии, совершенной по тому времени динамометрической аппаратурой, а также целым рядом оригинальных приборов и устройств собственного изготовления.
Предметом исследования явился мало тогда изученный процесс фрезерования. А.М. Розенберг и его коллеги разработали новые тонкие методики экспериментального исследования различных сторон этого процесса, позволившие получить важные научные результаты, существенно расширившие имевшиеся представления о процессе фрезерования и позволившие дать ряд ценных практических рекомендаций. В частности, был выработан общий методический подход к аппроксимации силовых зависимостей при фрезеровании, внесен большой вклад в теорию работы элементарного наклонного лезвия, разработаны способы оценки неравномерности процесса фрезерования, получены эмпирические зависимости для сил, моментов, мощности при работе фрез различных конструкций.
Основным итогом этого этапа как формирования научной школы нужно считать сложившиеся традиции высоко ответственного подхода к постановке опытов, тщательной обработки методик исследования, обязательного обеспечения достоверности и надежности результатов экспериментов.
1940-е - 1960-е гг. А.Н. Еремин, А.М. Розенберг
Двадцатилетие с 1942 по 1962 гг. явилось периодом расцвета Томской школы резания, в течение которого были получены наиболее интересные и значительные научные результаты. Главным предметом исследования на этом этапе явились вопросы механики процесса стружкообразования. Начало этим исследованиям было положено кандидатской диссертацией аспиранта Н.Н. Зорева "Динамика главной составляющей силы резания", выполняющейся накануне Великой Отечественной войны и защищенной в 1942 г. В этой работе была сделана попытка обобщения экспериментальных данных о влиянии скорости резания на деформацию и силу резания и сформулированы задачи изучения физических основ процесса резания. Непосредственным продолжателем работы Н.Н. Зорева явилась докторская диссертация А.Н. Еремина (по ее материалам в 1951 г. вышла монография "Физическая сущность явлений при резании сталей") и кандидатская диссертация Ю.П. Зимина, посвященная высокоскоростному резанию сталей, а конечным итогом всех этих исследований - создание физически обоснованной единой теории воздействия на процесс резания температурно-скоростного фактора.
Формированию физически обоснованного подхода к анализу явлений, наблюдаемых при резании, немало способствовали постоянные контакты с коллективом физиков, возглавляемым В.Д. Кузнецовым.
А.Н. Еремин исследовал процесс точения углеродистых, хромистых и нержавеющих сталей резцами из быстрорежущей стали и победита. Ему удалось установить, что основной причиной изменения всех явлений в процессе резания является температура процесса. Температура резания изменяет условия трения на поверхностях инструмента и действительную геометрию резца (за счет изменения условий образования нароста), в результате чего происходит изменение укладки стружки, ее твердости, силы и напряжений резания, чистоты обработанной поверхности и других явлений процесса резания. А.Н. Еремин показал, что влияние технологических параметров процесса резания: скорости, подачи и глубины, угла резания и др. - результат процесса определяется только тем, в какой степени изменение этих параметров изменяет объем срезаемого слоя и температуру резания.
Также А.Н. Еремин впервые подробно исследовал закономерность изменения геометрии нароста на резце и условия его существования при изменении различных параметров процесса.
В итоге работы А.Н. Еремин получил так называемые "типичные кривые" изменения усадки стружки и силы резания от температуры резания и дал их объяснение с позиций физики процесса. Он показал, что имеющиеся противоречия в результатах исследования предыдущих авторов, о которых говорилось выше, фактически являются мнимыми. Они исчезают, если учесть характер изменения усадки и силы резания в различных областях изменения температуры резания.
В последующем теория взаимосвязи в процессе резания, созданная А.Н. Ереминым является общепризнанной, и ее основные положения были приняты на вооружение всеми исследователями процесса резания.
В 1944 - 1945 гг. в практику наших представлений начало внедряться скоростное резание металлов.
Исследования, проведенные на кафедре Ю.П. Зиминым, а также М.Ф. Полетикой, позволили уточнить место скоростного резания при температурах, диктующих отсутствие на резце нароста.
В описанных выше исследованиях А.Н. Еремина была обнаружена тождественность связи твердости со степенью деформации металла при резании и сжатии. Работы, проведенные А.М. Розенбергом и А.Н. Ереминым в начале пятидесятых годов, привели к выводу, что степень деформации металла стружки следует оценивать не ее усадкой, как это было принято рядом авторов, а величиной относительного сдвига, методика расчета которого в процессе резания была разработана авторами. Правильный подход к оценке степени деформации металла стружки позволил получить теоретическое уравнение для расчета главной составляющей силы резания при точении.
В основу вывода теоретического уравнения сил резания, которое должно было связать силы резания с физико-механическими характеристиками обрабатываемого металла, положены такие законы пластической деформации, которые являются общими для различных схем пластического деформирования.
В эти же годы профессором А.М. Розенбергом была разработана оригинальная методика определения сил, действующих на заднюю грань инструмента.
Наиболее интересные результаты исследований, проведенных на кафедре в 1950 - 1955 гг., обобщены в монографии А.М. Розенберга и А.Н. Еремина "Элементы теории процесса резания металлов", опубликованной в 1956 г. Помимо уже упоминавшихся вопросов монография включает описание широких исследований процесса трения при резании металлов, выполнявшихся на кафедре с 1950 г.
Здесь же были опубликованы материалы по расчету сил резания при обработке чугуна.
Процесс резания чугуна существенно отличается от процесса резания стали, поскольку чугун, являясь хрупким материалом, не воспринимает упрочнения при его деформировании. В силу этого касательного напряжение в плоскости сдвига в этом случае является величиной постоянной, не зависящей от геометрии инструмента, размеров срезаемого слоя и скорости резания.
Теоретические положения, сформулированные в монографиях А.Н. Еремина и А.М. Розенберга с А.Н, Ереминым, получили подтверждение и развитие в последующих работах сотрудников кафедры.
Наряду с уточнением и углублением принципиальных позиций и теории резания металлов на кафедре велись работы по исследованию особенностей процесса резания различными инструментами. Наиболее обширные разработки были проведены при исследовании процессов торцевого и цилиндрического фрезерования.
Разработка теории процесса фрезерования была начата А.М. Розенбергом в 1930 г.
В 1959 - 1963 гг. на кафедре проводилось широкое исследование сил резания при фрезеровании сталей, чугунов и цветных металлов фрезами цилиндрическими, торцевыми, угловыми и концевыми.
Несколько в меньшем объеме, но также достаточно широко на кафедре исследовался процесс сверления спиральными сверлами.
Последней крупной публикацией работ сотрудников кафедры этого периода является монография "Резание металлов и инструмент", написанная под редакцией профессора А.М. Розенберга.
Помимо работ, отмеченных выше, в ней нашло отражение исследование деформированного состояния в зоне резания при образовании сливной стружки, выполненное Г.Л. Куфаревым в 1954 - 1958 гг. В данной работе, пользуясь методом делительных сеток, автор получил картину распределения деформаций в зоне резания, впервые экспериментально доказал, что процесс резания является схемой плоской деформации. Имея подробную информацию, автор проанализировал пригодность существующих зависимостей для расчета относительного сдвига при резании металлов.
1942 - 1962 гг. не без основания названы периодом расцвета Томской школы резания металлов. Именно в эти годы защитили докторские диссертации А.М. Розенберг и А.Н. Еремин, завершили кандидатские Н.Н. Зорев, М.Ф. Полетика, Г.Л. Куфарев, А.И. Промтов, Л.А. Хворостухин, Ю.А. Розенберг, А.А. Виноградов, О.А. Розенберг, успешно защитившие докторские диссертации в последующие годы.
Развитие школы с 1966 г. М.Ф. Полетика, А.Н. Добровидов
Последний, современный этап развития Томской школы резания металлов начался с отъезда в 1963 г. профессора А.М. Розенберга с рядом сотрудников кафедры в Киев. Профессор А.Н. Еремин отходит от научных исследований по состоянию здоровья, М.Ф. Полетика временно переехал в Тюмень.
Однако уже в 1966 году ситуация стабилизировалась - научное руководство осуществляли М.Ф. Полетика, Г.Л. Куфарев и Д.В. Кожевников. Направления научных исследований каждого из этих руководителей в значительной степени определялось их прежними интересами, связанными с темами их кандидатских диссертаций.
Основная область научных исследований М.Ф. Полетики – физика контактных процессов и износ инструмента при резании металлов. По этому направлению на протяжении ряда лет им разрабатывалась одна из важнейших госбюджетных тем в ТПИ «Контактные процессы и износ инструментов при резании труднообрабатываемых сталей и сплавов». Исследуя столь сложные физические явления, каким являются контактные процессы на режущих поверхностях инструмента, он совместно с учениками создал большое число оригинальных экспериментальных приборов. Опыт разработки таких приборов обобщен в одной из его первых монографий. Исследования в этой области позволили М.Ф. Полетике установить ряд важных закономерностей контактных процессов, прежде всего характер распределения нагрузок на контактных поверхностях инструмента.
Нейтральная поверхность изгиба в режущей части инструмента смещена из вершины клина к границе контактной площадки на передней поверхности. Таким образом, приконтактная часть режущего клина находится целиком в области сжимающих напряжений, что собственно, и препятствует развитию в ней больших трещин.
Хрупкое разрушение, если оно происходит в этой части, ограничивается небольшими объемами, то есть имеет характер выкрашивания. Локализуется оно главным образом в окрестности режущей кромки, где встречается наибольшее число внутренних и поверхностных дефектов. Каждое из таких выкрашиваний само по себе редко становится причиной выхода инструмента из строя. Напротив, выкрашивания бывают сплошь и рядом столь мелкими, что их не относят к категории собственно хрупкого разрушения, а рассматривают как разновидность износа инструмента.
За пределами контактной зоны, в области растягивающих напряжений мы наблюдаем иную картину. Растягивающие напряжения создают благоприятные условия для зарождения и развития микротрещин, каждая из которых в этих условиях легко может стать очагом возникновения магистральной трещины. Еще чаще таким очагом становится какой либо дефект на передней поверхности, где растягивающие напряжения достигают максимума. Наличие растягивающих напряжений способствует быстрому росту магистральной трещины, которая приводит к крупному сколу или полному разрушению инструмента.
Результаты этих исследований были успешно использованы при разработке новых конструкций инструментов и новых технологических процессов при обработке титановых сплавов и других труднообрабатываемых материалов в авиационной промышленности. Коллектив ученых, возглавляемых М.Ф. Полетикой в течение многих десятилетий эффективно сотрудничает с авиационными предприятиями страны. Под его руководством и при его непосредственном участии выполнено большое число работ по оптимизации режимов резания и разработке методик определения таких режимов при обработке труднообрабатываемых материалов, прежде всего титановых сплавов.
С рядом машиностроительных предприятий Сибири и Урала были установлены тесные связи по выполнению хоздоговорных работ в основном в двух направлениях:
1 – исследование путей повышения стойкости резцов и оптимизация режимов резания (Томск – ГПЗ-5, Верхне-Салдинский металлообрабатывающий завод);
2 – исследование стойкости режущих инструментов и разработка методики при обработке титановых и некоторых других сплавов (Томск – завод режущих инструментов).
Под руководством М.Ф. Полетики был разработан метод повышения стойкости режущего инструмента ионной имплантацией его рабочих поверхностей и организована первая в стране лаборатория ионной имплантации, в которой проводятся исследования влияния последней на физические и техноло-гические свойства инструмента. Исследования проблем ионной имплантации и совершенствование на этой основе режущего инструмента позволили в ряде работ, выполненных профессором Полетикой М.Ф. и под его руководством, получить принципиально новые решения по разработке и использованию вы-сокопроизводительного режущего инструмента с повышенной стойкостью в производстве.
В 1994 г. ему присвоено звание «Заслуженный деятель науки и техники РФ».
Результаты исследований М.Ф. Полетики опубликованы более в чем в 200 научных трудах, в том числе в 7 монографиях. За годы работы он внес большой вклад в подготовку высококвалифицированных инженеров–механиков. При его непосредственном участии подготовлено около 10 тысяч специалистов, успешно работающих в различных отраслях промышленности. Помимо обучения студентов М.Ф. Полетика большое внимание уделял под-готовке кадров высшей квалификации. Под его руководством успешно защищено 25 кандидатских и 2 докторских диссертаций. Его лекции по курсу «Теория резания металлов» в течение многих лет являлись образцовыми. На этих лекциях аспиранты и многие преподаватели учились сочетать глубокое знание предмета, умение просто и доходчиво донести этот предмет до студентов.
С 1945 г. в Томском политехническом институте были начаты исследования литой инструментальной стали и возможностей более широкого использования в промышленности литого инструмента. С 1945 г. это научное направление стало основным для металловедов ТПИ на протяжении почти 30 лет. Уже в 1949 г. по результатам исследований литых молибденовых быстрорежущих сталей в Томском политехническом институте была защищена кандидатская диссертация И.Т. Тихоновым.
В 50-х гг. под руководством А.Н.Добровидова были проведены работы по модифицированию литой быстрорежущей стали. Было изучено влияние малых добавок бора на структуру и свойства литой быстрорежущей стали, установлено, что бор в стали находится в ионизированном состоянии с положительным зарядом. Было показано, что модифицирование литой стали бором приводит к улучшению ее структуры, уменьшает хрупкость и улучшает работоспособность инструмента. Изучено влияние скорости охлаждения на структуры и свойства модифицированной стали.
Серьезные исследования составов быстрорежущей сталей в литом состоянии для удешевления и оптимизации были проведены в первой половине 50-х гг. Н.А. Ерофеевым. Им была решена задача получения малолегированных быстрорежущих сталей с хорошими режущими свойствами.
В 60-е гг. были проведены исследования влияния на структуру и свойства литой быстрорежущей стали различных элементов: кобальта, ниобия, алюминия, вольфрама с молибденом, хрома. В результате этих работ было установлено положительное влияние ниобия, вызывающего измельчения зерна литой стали и замедляющего рост зерна при нагреве, повышающего предел прочности стали при изгибе и в 2-3 раза стойкость резцов при точении. Для изыскания возможностей сокращения расхода стали при изготовлении инструмента и других изделий, уменьшения экономических затрат в первой половине 50-х годов были проведены работы по исследованию металлизационных покрытий на изделиях, процесса металлизации и автоматической наплавки режущего инструмента из быстрорежущей стали разного состава. Эти работы показали возможность создания высоких эксплуатационных свойств только в рабочем поверхностном слое инструмента или детали с использованием в качестве основы изделия более простой и дешевой стали.
Литература
Становление и развитие научных школ Томского политехнического университета: Исторический очерк/под ред. Ю.П. Похолкова, В.Я. Ушакова. - Томск:ТПУ, 1996. - 249 с.
Ссылки
https://science.kuzstu.ru/wp-content/Events/Conference/RM/2021/RM21/pages/Articles/041801.pdf