Цель всех этих экспериментов — дать нам правильный ответ на два вопроса, которые встают перед лицом каждого механика всякий раз, как он делает какую-либо работу на машине для резания металлов: на токарном, фрезерном, строгальном станке и т. п. Эти два вопроса гласят:
для производства работы с максимальной скоростью;
с какой скоростью резания следует пускать станок?
и какова должна быть величина подачи?
Эти вопросы звучат так просто, что разрешение их как будто требует лишь личного суждения любого опытного механика. В действительности же, после 26-ти лет работы, мы установили, что ответ на эти вопросы в каждом отдельном случае предполагает разрешение сложной математической задачи, где приходится установить совместный эффект двенадцати независимых переменных.
Каждая из двенадцати переменных, приведенных ниже, имеет существенное значение для результата. Цифры, приведенные для каждой из переменных, означают влияние данного отдельного элемента на скорость резания. Так, например, для первой переменной (А) мы нашли, что «отношение составляет 1, для полутвердой стали к 100, для очень мягкой малоуглеродистой стали». Смысл этого утверждения тот, что мягкая сталь режется в 100 раз быстрее, чем твердая сталь. Цифровые крайние отноше- ния, которые указываются нами для каждого из этих двенадцати элементов, означают, таким образом, ту широкую амплитуду выбора, которая практически в прежнее время вставала перед каждым механиком при определении им наивыгоднейшей скорости и величины подачи в работе его станка.
Вот эти двенадцать переменных:
(А) Качество металла подлежащего обработке, т. е. твердость его и иные свойства, влияющие на скорость резания. Отношение составляет 1, для полутвердой стали, к 100, для очень мягкой малоуглероднстой стали.
(Б) Химический состав стали, из которой сделан резец и закалка резца. Отношение составляет 1, для резцов из твердой углеродистой стали, к 7, для наилучших быстрорежущих резцов.
(В) Толщина стружки, т. е. спиральной полосы или ленты металла, снимаемой резцом. Отношение составляет 1, при толщине стружки в 3/16 дюйма, к 31/2, при толщине стружки в 1/64 дюйма.
(Г) Форма или контур режущего лезвия резца. Отношение составляет 1, для прямого, к 6, для круглого лезвия резца.
(Д) Способ охлаждения резца при помощи обильной струи воды или же иного охлаждающего средства. Отношение составляет 1, для резца, работающего всухую, к 1,41, для резца, охлаждаемого обильной струёй воды.
(Е) Глубина резания. Отношение составляет 1, при глубине в 1/2, дюйма, к 1,36, при глубине в 1/8 дюйма.
(Ж) Продолжительность резания, т. е. промежуток времени работы резца от одной заточки до другой. Отношение составляет 1, при заточке через каждые полтора часа, к 1,20, при заточке через каждые 20 минут.
(3) Углы резания. Отношение составляет 1, под углом резания в 68 градусов,к 1,023, под углом резания в 61 градус.
(И) Эластичность обрабатываемого изделия и резца в отношении дрожания при работе. Отношение составляет 1, при дрожании резца, к 1,15, при гладкой работе резца.
(К) Диаметр отливки или поковки, подвергаемой обработке.
(Л) Давление стружки нарежущую поверхность резца.
(М) Изменения движущей силы и величин скорости и подачи станка.
Многим, быть может, покажется чрезмерным то, что потребовалось целых 26 лет работы для определения влияния каждой из этих двенадцати переменных на скорость резания металлов. Люди же, имевшие личный опыт в производстве подобных экспериментов, легко поймут, что главная трудность задачи заключается в том, что она содержит такое большое количество переменных. И действительно, громадное количество времени, затраченное на производство каждого отдельного эксперимента, было обусловлено именно трудностью сохранения остальных одиннадцати переменных постоянными и неизменными в течение всего хода эксперимента в то время, как производилось изучение двенадцатой переменной. Это сохранение постоянными одиннадцати переменных было неизмеримо более трудным, чем само исследование двенадцатой.
По мере того, как производилось исследование влияния на скорость резания, одной за другой, каждой из этих двенадцати переменных, для возможности практического использования полученных сведений необходимо было найти математические формулы, которые выражали бы в сжатой форме законы, выясненные в результате экспериментов. В качестве примеров из установленных двенадцати формул мы приведем следующие три:
После того, как эти законы были таким образом открыты и выражавшие их математические формулы были зафиксированы, перед нами все же оставалась трудная задача добиться настолько быстрого разрешения каждой из этих математических проблем, которое позволило бы использовать их в практической ежедневной работе. У человека с хорошей математической подготовкой попытка найти правильное решение на основе этих формул в каждом данном случае (что равносильно практическому нахождению правильной скорости и величины подачи при обычной организации работы) должна отнять, примерно, от двух до шести часов на разрешение каждой отдельной задачи, т. е. значительно больше времени на решение математических проблем, чем то, которое тратится в большинстве случаев рабочим на выполнение самой работы на своем станке. Таким образом, стоявшая перед нами задача значительной трудности заключалась в нахождении способа быстрого разрешения соответствующих математических проблем. По мере того, как мы делали успехи в этом направлении, весь вопрос в совокупности, от времени до времени, представлялся автором на рассмотрение известных математиков нашей страны, одного за другим. Мы предлагали им какое угодно разумное вознаграждение за нахождение быстрого и практичного метода решения этих математических задач. Некоторые из этих господ бросали только поверхностный взгляд на представленные нами данные; другие, желая быть любезными, оставляли их у себя в течение двух или трех недель. Все они, в конце концов, давали нам один и тот же ответ: во многих случаях вполне возможно решить уравнения, содержащие четыре переменных, а в некоторых случаях и уравнения с пятью или шестью переменными, но совершенно невозможно решить задачу, содержащую двенадцать переменных, каким-либо иным путем, кроме метода медленного и последовательного приближения.
Нахождение возможности быстрого решения представлялось, однако, столь настоятельно необходимым для нашей каждодневной работы по организации управления заводами машиностроительной промышленности, что, несмотря на слабое поощрение, полученное нами от математиков, мы продолжали с нерегулярными перерывами в течение пятнадцати лет посвящать очень много времени поискам такого простого решения. Четыре или пять человек в различные периоды времени отдавали весь свой рабочий день производству этих изысканий, и, в конце концов, в период нашей работы у Вифлеемской Стальной Компании была разработана счетная линейка, иллюстрированная на чертеже № 11 нашей книги «Искусство резать металлы» и подробно описанная в докладе, представленном м-ром Карлом Дж. Бартом Американскому Обществу инженеров-механиков, под заглавием «Счетные линейки для заводов машиностроительной промышленности, как элемент Тэйлоровской системы управления» (т. XXV Трудов Американского Общества инженеров-механиков). Посредством этой счетной линейки любая из этих сложных проблем может быть решена менее, чем в полминуты каждым хорошим механиком, независимо от того, понимает он что-нибудь в математике или нет. Это дало возможность применить к каждодневной заводской практике результаты, наших многолетних опытов по искусству резать металлы.
Это представляет хорошую иллюстрацию того факта, что всегда можно найти какой-нибудь способ, жизненного использования в повседневной практике сложных научных данных, которые представляются находящимися за пределами опыта и объема технической подготовки обыкновенных практических работников. Эти счетные линейки уже в течение ряда лет находятся в непрерывном ежедневном пользовании у простых рабочих-механиков, не имеющих никакого понятия о математике.
Простой взгляд на сложные математические формулы, выражающие законы резание металлов, с ясностью показывают причину невозможности для любого механика, основывающегося только на своем личном опыте и незнакомого с этими законами, правильно угадать наилучшее решение обоих основных вопросов:
с какой скоростью работать?
какова должна быть величина подачи?