Металлорежущий инструмент является одним из важнейших орудий производства. Он используется при обработке резанием всевозможных деталей на металлорежущих станках. При этом срезается часть материала заготовки в виде стружки до получения требуемой поверхности детали.
В настоящее время в машиностроении используется большое количество разнообразных режущих инструментов. Например, широко применяются токарные резцы, имеющие одну режущую часть и такие сложные инструменты, как протяжки, имеющие несколько десятков режущих зубьев.
На заре развития человеческой культуры одними из первых орудий, которыми пользовались люди в процессе своего труда, были каменные орудия. Уже в эпоху неолита человек достиг большого мастерства в изготовлении самых разнообразных каменных орудий: скребков, резцов, наконечников, иголок, кинжалов, топоров, молотков, долот, мотыг, серпов, напильников.
Каменные орудия были хрупкими, они часто ломались, а расширявшаяся производственная деятельность людей требовала более прочных орудий. Поэтому в 3—1 тысячелетиях до н.э. на смену камню пришли медь, олово и бронза. Орудия, изготовленные из бронзы, были прочными, но им недоставало твердости и остроты каменного орудия. Поэтому бронза не могла вытеснить каменные орудия.
Развитие ремесла настоятельно требовало создания такого материала, который сочетал бы в себе прочность бронзы и твердость камня. Таким материалом явилось железо. Оно дало ремесленнику орудия такой твердости и остроты, которым не мог противостоять ни один камень, ни один из известных тогда металлов. В средневековье еще отсутствует разделение труда между отдельными цехами и внутри цехов между отдельными рабочими.. Каждый рабочий должен был уметь делать все операции, связанные с продукцией его цеха.
Мануфактурный период, который пришел на смену ремесленному производству, ознаменовался тем, что производство было разделено на ряд операций и каждая из них выполнялась отдельным рабочим, что привело к соответствующей дифференциации орудий труда и приспособления их к определенным операциям мануфактурного производства.
«Коллективный рабочий», который создавался в результате мануфактурного труда определенного числа рабочих, был гораздо производительней, чем то же число рабочих, самостоятельно осуществляющих все операции по изготовлению данного изделия.
Резкий скачок в развитии производительных сил общества мы наблюдаем при переходе от мануфактурного производства к машинной индустрии, это было связано с переходом от ручного труда к машинному, с передачей механизму функций непосредственного воздействия на предмет труда.
Применение машин позволило вывести мощность орудий труда далеко за пределы физических возможностей человека, повысить скорости протекания рабочих процессов, развить принципы агрегатирования машин, когда в единый комплекс, управляемый человеком, включается ряд рабочих механизмов.
Ручной труд не мог разрешить и многих технических задач, которые стали возникать в машиностроении, при возрастающей сложности машин, увеличения их мощностей и точности работы механизмов.
Основным техническим средством при обработке металлов в тот период был ручной токарный станок. В процессе работы на нем рабочий держал резец в руках и перемещал его в требуемом направлении, в соответствии с формой обрабатываемой поверхности. Необходимо было на станке иметь механизм, который держал бы резец и заменил таким образом руку человека. Таким механизмом явился суппорт токарного станка. Токарные станки с суппортом впервые были
построены в России А. К. Нартовым (1693—1756 гг.).
Применение суппорта позволило использовать машинный инструмент, создать высокопроизводительные, многоинструментальные станки, позволяющие изготовлять различные детали машин с высокой степенью точности и быстроты.
Переход к машинной индустрии привел к чрезвычайно бурному развитию инструментов и созданию новых их типов.
Во второй половине XIX века появляются такие инструменты, как спиральное сверло, развертка, зенкер, разнообразные фрезы, в том числе затылованные фасонные фрезы для обработки зубчатых колес. В конце XIX и начале XX веков стали использоваться в производстве такие сложные инструменты, как червячные фрезы, зуборезные долбяки, гребенки и др. Двадцатые годы XX века 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.
Режущий инструмент является важнейшим элементом техники различных отраслей машиностроительной промышленности. На протяжении всей истории техники усовершенствования режущего инструмента оказывали большое влияние на конструкцию металлорежущих станков и технологию машиностроения.
Например, применение быстрорежущей стали вместо углеродистой инструментальной вызвало резкое повышение режимов обработки и, соответственно, производительности труда.
Скорости резания инструментов из углеродистых сталей колебались около 10 м/мин. Инструменты же из быстрорежущей стали позволили повысить скорость резания до 30—40 м/мин. Подобное повышение скорости резания не могло не отразиться на конструкции металлорежущих станков. Станки, имеющие большее число оборотов, 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 станков ДИП-200 была выпущена к 1 мая 1932 г. Токарно–винторезный станок ДИП-200 с высотой центров 200 мм имел индивидуальный электропривод, обеспечивающий максимальное число оборотов 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.
Применительно к обработке твердосплавным инструментом станки ДИП устарели. Поэтому в 1949 г. завод «Красный пролетарий» стал выпускать новую модель токарного станка 1А62 с увеличенной мощностью и в два раза большим максимальным числом оборотов шпинделя по сравнению со станком ДИП-200.
Но и этот станок, который выпускался до 1956 г., не мог удовлетворить всем требованиям скоростного резания.
Поэтому на заводе «Красный пролетарий» был создан и в ноябре 1956 г. запущен в производство станок 1К62 с числом оборотов 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 с увеличенными числами оборотов, более модными и жесткими.
Режущий инструмент не только оказывает влияние на конструкцию станков, технологию изготовления изделий,
но и в определенной степени оказывает воздействие на конструктивные формы деталей машин. Так, появление и широкое распространение в машиностроении шлицевых соединений стало возможным благодаря применению метода протягивания. Например, шлицевой протяжкой можно обеспечить высокопроизводительную обработку шлицевого отверстия с необходимой точностью. Но с другой стороны, например, развитие тяжелого станкостроения потребовало создания новых конструкций крупногабаритных инструментов.
Разработка и использование в машиностроении автоматических линий также потребовала проектирования инструментов с высокой размерной стойкостью, способного обрабатывать детали в пределах заданных допусков в течение определенного времени, например смены. В результате были разработаны 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 линии.
На первый взгляд может показаться, что роль режущих инструментов в промышленности невелика. Однако, если учесть, что на машиностроительных заводах ежедневно миллионы режущих кромок обрабатывают десятки миллионов всевозможных деталей, то станет ясным значение инструмента в народном хозяйстве.
Успешное развитие любого машиностроительного производства в значительной степени зависит от того, насколько оно обеспечено надлежащим количеством инструмента.
В дореволюционное время в России не было ни одного специализированного инструментального завода. Режущий инструмент для собственных нужд изготовляли только Тульский, Путиловский, Златоустовский, Ижевский, Обуховский, Коломенский заводы.
Из-за границы ввозилось 90% режущих инструментов. В 1919 г. в Москве был организован первый в нашей стране специализированный государственный инструментальный завод. На первом этапе завод специализировался на производстве режущего и зажимного инструмента.
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. Подобный подход к организации производства инструмента был по тому времени новым и прогрессивным и оказался весьма эффективным.
Этот принцип разделения технологического процесса на ряд операций и использования универсального оборудования при его оснащении специальными приспособлениями был применен на других заводах. В частности его использовал Сестрорецкий инструментальный завод, который в 1922 г. принял профиль инструментального завода. В период восстановления народного хозяйства, наряду с названными, функционировали такие специализированные заводы, как завод им. Ленина в Златоусте, завод режущих инструментов в Харькове, напилочные заводы в Миассе и Ворошиловграде.
К концу первой пятилетки вступил в строй мощный инструментальный завод «Фрезер» им. М. И. Калинина. В связи с пуском и развертыванием производства инструмента на заводе «Фрезер», а также на таких заводах, как Сестрорецкий и Златоустовский, роль Московского инструментального завода (МИЗа) как поставщика нормального режущего инструмента становилась второстепенной. С этого периода МИЗ переходит на производство протяжек, зуборезных инструментов и другого сложного нестандартного инструмента.
Таким образом, за годы довоенных пятилеток произошли существенные изменения в развитии инструментальной промышленности. К началу 1941 г. только в системе Министерства станкостроения было девять инструментальных заводов.
Вместе с тем, несмотря на рост специализированной инструментальной промышленности, роль ее в удовлетворении потребности народного хозяйства в режущем инструменте была все же небольшой. В то же время в стране непрерывно и быстро росло число машиностроительных предприятий, вступили в строй тракторные заводы в Волгограде, Харькове, Челябинске, автомобильные заводы в Москве и Горьком, заводы тяжелого машиностроения на Урале, Украине и др. Только за годы первой пятилетки было введено в действие свыше 1500 новых заводов и фабрик.
Естественно, что такое положение вызвало необходимость дальнейшего строительства на машиностроительных заводах крупных инструментальных цехов, которые создавались в короткие сроки, для удовлетворения потребностей предприятий в необходимом инструменте. В результате в промышленности выросли инструментальные цехи, станочный парк которых, по данным 1932 г., вдвое превышал станочный парк инструментальных заводов. Крупные инструментальные цехи, представлявшие по существу заводы средней величины, были созданы на тракторных и автомобильных заводах, на авиационных и других предприятиях. В результате к концу 1940 г. наша страна почти совершенно отказалась от импорта режущего инструмента.
В годы Великой Отечественной войны в результате перебазирования промышленности на восток страны количество специализированных инструментальных заводов почти удвоилось и возросло до семнадцати к ее окончанию. Были созданы инструментальные заводы в Томске, Новосибирске, Оренбурге, Свердловске. В послевоенный период расширение производства инструмента шло по пути внедрения новых прогрессивных методов их изготовления и организации новых инструментальных заводов в Виннице, Львове, Минске, Вильнюсе и других городах. В настоящее время в стране насчитывается свыше 50 специализированных инструментальных заводов. Однако задача сосредоточения производства стандартного инструмента на специализированных инструментальных заводах пока еще не решена. Поэтому в соответствии с Директивами XXIV съезда КПСС по пятилетнему плану развития народного хозяйства на 1971— 1975 гг. предусматривается расширение специализированного производства металлорежущего и абразивного инструмента и повышение его качества.
По девятому пятилетнему плану развития народного хозяйства СССР инструментальная промышленность Мин-станкопрома значительно увеличит выпуск за пятилетку специализированного металлорежущего инструмента. Прирост объема выпуска будет получен, главным образом, в результате роста производительности труда. Предусматривается ввод Фрунзенского, Белгородского, Оршанского заводов, а также реконструкция таких заводов, как Томский, Свердловский, Оренбургский, Московский инструментальный, «Фрезер».
Одним из главных направлений в работе инструментальщиков в девятой пятилетке явится повышение качества вы
пускаемого инструмента, в частности его стойкости за счет применения более производительных марок инструментальных сталей и твердых сплавов, создания и освоения новых высокопроизводительных конструкций инструмента, разработки и внедрения высокоэффективных технологических процессов производства инструментов.
Широкое распространение и применение всевозможных машин, создание их работоспособных конструкций стало возможным только на базе развития соответствующих отраслей наук.
Должный размах 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 института, Московского авиационного института им. Орджоникидзе, Харьковского, Киевского, Ленинградского, Томского политехнических институтов и др. Значительные творческие работы проведены также коллективами заводов и их технологическими лабораториями.
Исследования в области обработки металлов резанием широко развернуты также в отраслевых научно-исследовательских институтах (ВНИИ, ЭНИМС, ЦНИИТМаш).
Параллельно с бурным развитием социалистического народного хозяйства в Советском Союзе успешно решается задача подготовки инженерно-технических кадров.
Одной из инженерных специальностей советских вузов является специальность инженера-механика по технологии машиностроения, металлорежущим станкам и инструментам. Впервые подготовка инженеров в этой области была организована в Советском Союзе в тридцатых годах, когда усиленными темпами начало развиваться машиностроение, в частности станкостроение и инструментальное производство.
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. Специалисты по технологии машиностроения, металлорежущим станкам и инструментам после окончания вуза могут работать на самых разнообразных машиностроительных заводах различных отраслей народного хозяйства.
Процессы производства всевозможных деталей машин на машиностроительных заводах непрерывно совершенствуются. Развитие заготовительных процессов идет по пути повышения точности заготовок и соответственного уменьшения припусков на обработку резанием. Однако, несмотря на это, объем обработки деталей резанием продолжает оставаться высоким. Например, в турбостроении трудоемкость механосборочного производства составляет около 70%, а в станкостроении и тракторостроении — около 60% от общей трудоемкости изготовления машин.
Нужно отметить, что уже длительное время соотношение числа действующих единиц кузнечно-прессового и металлорежущего оборудования почти не изменяется.
За последнее время появились химический и электрохимический методы обработки металлов, анодномеханическая, электроэррозионная и электро-импульсная, ультразвуковая, электроннолучевая обработка.
При обработке новых видов высокопрочных, нержавеющих и жаропрочных материалов, трудно обрабатываемых обычными методами резания, успешно используются физико-химические методы. Однако объем работ, выполняемых новыми физико-химическими методами, в настоящее время невелик. Можно полагать, что в ближайшем будущем темпы развития этих методов будут опережать темпы развития обработки резанием, но, это существенно не повлияет на место и значение обработки резанием в машиностроении.
При оценке роли обработки 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 приводит 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.