Історія металообробки

Двадцять тисяч років тому. Долина поблизу нинішнього Воронежа. В степу, де на тучних пасовиськах ходять великі череди тварин, тимчасова стоянка з кількох куренів. У них можна сховатися від вітру й негоди. На стоянці пожвавлення. От два мисливці повертаються після вдалого полювання. На ратищі спису вони несуть здобич. Кілька осіб обробляють здобуту вранці дичину. Одні жінки нарізують м’ясо довгими вузькими смужками і розвішують їх для пров’ялювання — так роблять припаси на зиму. Інші зіскрібають жир і обривки м’язів з великої шкури, розіпнутої на кілках. Після очищення її продублять і використають для лагодження довгих великих куренів на березі річки або зшиють з неї зимовий одяг, хутром усередину, щоб краще зберігалося тепло. У такому одязі взимку не страшно виходити на полювання.

Так уявляють науковці повсякденний побут наших далеких предків. Звертає на себе увагу те, що люди користуються різним кам’яним знаряддям, причому спритно й сноровисто. Та й саме знаряддя виготовлено так, що працювати ним легко й зручно. Сучасні дослідження показали, що добре оброблені кремнієві наконечники гостріші за залізні й глибше проникають у тіло тварини. А кремнієві ножі за різальною здатністю рівноцінні сталевим і навіть перевершують їх.

Тисячоліття важкого досвіду підказали людині, що найкращим матеріалом для виготовлення знарядь є деякі види каменя — ті, що відносно легко обробляються і дають гострі краї при зламі. Тепер науковці пояснюють, що такі властивості притаманні природним матеріала з тонкою кристалічною структурою. До них належать обсидіан (вулканічне скло), кремній, кварцити, базальти та інші матеріали.

Протягом багатьох тисяч років уміння використовувати властивості каменя було основою першочергової технології виготовлення знаряддя, а ступінь її досконалості — мірилом технічного прогресу. Спочатку людині просто вдавалося відділяти від каменю відщепи з гострими краями і використовувати їх як знаряддя. З часом вона відкрила, як можна досягати певних розмірів і форми цих відщепів і як обробляти їх, використовуючи потім з певною метою: як скребок, щоб очищувати шкури, наконечник списа, щоб убивати тварин, сокири, щоб рубати дерева і колоти дрова.

Потім з’явилося ще одне вдосконалення. У доісторичні часи кам’яних справ майстри навчилися відбивати від кам’яних «заготовок» дуже довгі ножеподібні пластини. Їхня довжина щонайменше вдвічі перевищувала ширину, а обидва краї були такими гострими, що їх іноді доводилося затупляти, щоб таку пластину можна було затиснути в руці.

Для отримання таких пластин потрібна була велика майстерність. Спочатку кремнієвій заготовці надавали приблизно циліндричної форми. А потім від неї, від зовнішнього краю, в подовжньому напрямку одну по одній відколювали пластини. Цей метод був великим кроком уперед. Перш за все він був економічнішим за попередній. Добрий майстер міг з однієї заготовки виготовити близько п’ятдесяти пластин. А продуктивність у ті далекі часи мала не менше значення, ніж тепер. Кремнієві знаряддя при всіх своїх достоїнствах були дуже крихкими. Потреба в них була постійною, а майстрів було небагато. І найбільшим досягненням було, якщо один майстер міг за кілька хвилин виготовити кілька десятків пластин. Не менш важливою перевагою нового метода було те, що довжина робочого краю пластини виходила щонайменше в п’ять разів більшою, ніж у відщепів. З таких пластин можна було виготовити більш різноманітне знаряддя, ніж раніше: ножі для нарізування м’яса, для обстругування дерева, скребки для кісток, шкур, свердла, проколки та багато іншого.

Методи й прийоми виготовлення знарядь з каменя були першими несміливими кроками людини шляхом освоєння найскладнішої технології оброблення матеріалів різанням. Але саме тоді було закладено її основи. Принаймні два основних її принципи були вже сформульовані (нехай навіть несвідомо!). Перший принцип полягав у тому, що для отримання знаряддя з каменя слід видалити з нього все «зайве». А другий принцип безпосередньо випливав з першого: це видалення пов’язане з цілеспрямованим руйнуванням матеріалу заготовки.

Ускладнення технології оброблення кам’яних знарядь призвело до першого в історії людства професійному розподілу праці в суспільстві. Виготовлення знарядь перетворилося на спеціалізоване заняття: з’явилися спеціалісти з виготовлення кам’яних знарядь і з’явилися, як ми тепер говоримо, спеціалізовані підприємства. На території нашої країни археологи відкрили своєрідні майстерні, де неолітичні майстри виготовляли кам’яні знаряддя праці. Виготовлення тих знарядь праці, якими людина користувалася десять — двадцять тисяч років тому, якими б простими вони не були на перший погляд, потребувало точних розрахунків і великого вміння. Їх створювачі були такими чудовими майстрами, що відтворити їхні вироби в наші дні вдалося лише небагатьом терплячим експериментаторам. А деякі давні вироби до цього часу є неповторними.

Обмовимося, що ті методи, які людина освоїла першими — відщепу й ножеподібних пластин — не стали основою наступної техніки оброблення матеріалів. Це був один з етапів розвитку, результати якого послужили базою для удосконалювання всієї наступної технології обробки. Результати його такі значні, що не буде перебільшенням сказати, що основи сучасної технології металообробки закладено нашими далекими предками.

Дійсно, на чому засновано сучасну технологію оброблення заготовок? На різанні. А різання неможливе без застосування різального інструмента. І от цей основний елемент було винайдено саме в кам’яному віці. На початку зародження технології виготовлення знарядь праці було зроблено геніальне відкриття: основою будь-якого різального інструмента є клин. І з тих далеких часів до сьогодні різні конструктивні оформлення різального клина дали людині масу необхідних йому знарядь. Це і знаряддя війни, і знаряддя творення. Уважно розгляньте найскладніший різальний інструмент, яким ми обробляємо надміцні сучасні матеріали, і ви побачите в ньому клин. А найсучасніший понадзвуковий реактивний літак або ракета? Їхня головна частина, якою вони «розрізають» повітря, — це також клин 

Галузь застосування клина в різні історичні епохи: I — кам’яна доба; II — бронзова доба; III — епоха промислового перевороту; IV — космічна доба

Якщо ми відкриємо тлумачний словник російської мови під редакцією Д. М. Ушакова, то в ньому знайдемо таке визначення слова «клин»: «Загострений кіл, що загострений донизу і розширюється доверху, кусок дерева або заліза, що застосовується для розщеплення, розколювання дерева». У словнику ж, що складений С. М. Ожеговим, опис клина більш стислий і не містить змістового навантаження на галузь застосування або окремого зазначення щодо округлості форми предмета через слово «кіл». За С. М. Ожеговим клин являє собою «загострений з одного боку кусок дерева, заліза». Ми не будемо тут зупинятися на інших поняттях цього слова, наведених у словниках, оскільки вони безпосередньо не пов’язані з сутністю нашої розповіді. Виділимо головне — клин характеризується загостренням.

   Загостреними у вигляді клина є ікла й пазурі, зуби, дзьоби, бивні та шипи. Їм наслідують примітивні знаряддя — відщепи первинної людини, більш досконалі сокири-колуни, наконечники стріл і ножі, а також найдавніші та сучасні інструменти для оброблення матеріалів. Багатофункціональність призначення клина підпорядкована єдиному принципу дії і, в цілому, характеризується узагальненою однаковою формою. Все це є наслідком чудових властивостей клина.

Зробимо простий дослід. Розташуємо три креслярські кнопки між двома однаковими дерев’яними дощечками. Для стійкості верхньої дощечки кнопки розташуємо по уявних вершинах рівностороннього трикутника. Тепер поставимо зверху гирю. Значний тиск на вістря кнопки призводить до її вдавлювання в дерево. У цьому легко можна переконатися, розібравши конструкцію. Всі три кнопки виявилися закріпленими у верхній дощечці, а не в нижній.

Дослід з кнопками дозволяє сформулювати важливу властивість клина — розвивати на вершині високі тиски. Але ж ікла, пазурі, бивні, колючки, наконечники списів і стріл, мечі, ножі і, врешті-решт, різці також являють собою клини. Отже, і на їх вершинах мають розвиватися високі тиски.

Твердий і міцний різець — також клин. Він не тільки втискається в сталеву заготовку, але й знімає з неї стружку. У чому причина? Справа в тому, що для ефективної роботи клина одного питомого тиску, навіть дуже високого, тут недостатньо. Клин має бути твердішим і міцнішим оброблюваного матеріалу.

У клина є ще одна чудова властивість — здатність розкладати докладену до нього осьову силу на складові.  

Співвідношення між осьовою силою і складовими залежить від кута загострення клина. Чим менший кут загострення, тим легше ввести клин у матеріал. Справді, чим гостріший клин, тим легше його ввести в колоду, розділити матеріал на шари й зняти різцем металеву стружку. Однак таке зменшення кута загострення можливе до певної межі і обмежується міцністю матеріалу клина й ефективністю розподілу сил.

Але в давні часи людина не тільки відкрила самий принцип різального клина. Вона вже тоді конструктивно оформила деякі найважливіші типи різальних інструментів. Одним із таких інструментів був різець — знаряддя з міцним, різко скошеним краєм, що нагадує стамеску. Головна відмінність різця від інших знарядь праці кам’яної доби полягала в тому, що за його допомогою не вбивали тварин, не різали м’ясо, не очищували шкури, не рубили дерева.  Він призначався для виготовлення інших знарядь і пристроїв. Можна сказати, що він мав те саме призначення, що й сучасні металорізальні інструменти.

Наші далекі предки емпірично знайшли найраціональніший кут загострення клина з урахуванням матеріалу різця й матеріалу, що підлягає обробленню. Погляньте на кремнієві різці пізнього палеоліту з Мезина, Тимонівки, на дзьобоподібні різці з острова Мальта й з Мезина, на кістяний різець бороро з Південної Америки. Як вони схожі на найпростіший сучасний різець формою й обраним кутом загострення клина!

 

Різці з Мезина: прямі (а), дзьобоподібний (б), Тимонівки (в), з острова Мальта (г), костяний різець племені бороро (д), сучасний різець (е)

Великі складнощі пов’язані з установленням клина-різця відносно оброблюваної поверхні, оскільки не за будь-якого його встановлення зняття стружки буде ефективним. Якщо клин орієнтований відносно оброблюваної поверхні правильно, то процес різання буде здійснюватися легко, стружка буде сходити оберненою до неї поверхнею різця, а інша його поверхня, обернена до уже обробленої поверхні деталі, так звана задня поверхня різця, більшою своєю частиною не буде торкатися обробленої поверхні й викликати тертя й деформацію. При перетинанні передньої й задньої поверхонь утворюється різальна кромка інструмента.

Для ефективного перебігу процесу різання важливо раціонально вибрати не тільки кут загострення клина, але й правильно розташувати його поверхні відносно оброблюваної заготовки. Для точного визначення положення клина відносно деталі уведено передній і задній кути, що позначаються символами γ і α. Передні й задні кути відіграють дуже важливу роль. Без правильного їх вибору неможливо ефективно здійснювати обробку.

 Процес різання здійснюють при певних режимах, елементами яких є: швидкість і глибина різання, подовжня й поперечна подачі. Правильні режими різання вибирають за довідковими таблицями й формулами. Певні режими втілюються у конкретні пересування інструмента й заготовки механізмами верстата. Як зараз просто звучить ця фраза!

Тепер ми навіть собі не уявляємо, щоб під час оброблення робочий тримав різець у руках, притискав його до заготовки, що обертається, і таким чином знімав необхідний припуск. Але ж колись у давнину іншого способу не існувало і супорта, до якого так звикли сучасні верстатники і вважають його присутність на верстаті звичайним, не було.

Погляньте, які оригінальні дзьобоподібні ручні різці застосовували ремісники на початку XVII століття. Правда, вони мало чим відрізнялися від різців IX—X століття новгородців, які вміли викувати їх з кількох шарів заліза різної твердості. Такими були у них різці, ножі, різноманітний інструмент, знаряддя і, звичайно, мечі.

При цьому важко уявити собі здивування сучасних металознавців, інструментальників і археологів, коли поперечний переріз клина з’явився перед ними на шліфу в полі зору мікроскопа не суцільним, а таким, що складається з двох матеріалів — м’якого заліза й термооброблюваної сталі, з’єднаних за допомогою ковальського зварювання. Клин був схожий на тришаровий пиріг, середній шар якого був пружним і мав твердість загартованої високовулецевої інструментальної сталі, а два інших шари являли собою м’яку маловуглецеву сталь. При його роботі бічні шари зношувалися швидше за міцну й тверду серцевини, що приводило до автоматичного самозаточування клина і, до того ж, захищало середній шар від ударів, розвитку тріщин і руйнування. От вам і винахідники давнини!

Хоча принцип самозаточування існує незалежно від нас у природі, здійснюючи автоматично природне заточування пазурів, зубів, іклів, що мають покривні шари різної твердості та зносостійкості, тим не менш, людина змогла зрозуміти, оцінити й застосувати його не відразу у своїй практичній діяльності і йому довелося відкривати для себе цей принцип кілька разів. Хто знає, можливо, ми колись будемо захоплюватися найновішими винаходами, не знаючи про те, що вони були відомі в минулому?

 Різець дозволив якісно змінити технологію виготовлення знарядь, широко використовувати кістку та оленячій ріг. Для того часу це були диво-матеріали, своєрідні пластмаси кам’яної доби. Вони були міцнішими й твердішими за дерево і не такі крихкі й важкооброблювані, як камінь. Розширився круг технологічних прийомів оброблення нових матеріалів; їх можна було різати, видовбувати, зазубрювати, робити на них насічку, загострювати, надавати їм різної форми.

Потім людині вдалося так конструктивно видозмінити різець, що, нарешті, вийшов принципово новий різальний інструмент — свердло: малорізальне лезо та державку, за яку його утримували в процесі роботи. Більше того, сам процес свердління аналогічний сучасному: обертанням свердла і одночасною подачею його вглиб оброблюваного матеріалу утворювали отвір.

 Якщо спитати в будь-якої, навіть дуже далекої від проблем техніки людини, як і чим роблять отвори в різних деталях, то відповідь буде дано швидко і не без відтінку здивування: Як чим? Звичайно, свердлом!

Так воно і є насправді, оскільки свердло є не тільки найнеобхіднішим інструментом для отримання отвору, але й нічого іншого робити не вміє, тому і назвати його найпростіше.

Ще в палеоліті й, особливо, в неоліті, зародилася й розвивалася техніка свердління за допомогою кам’яних свердел. Кам’яне свердло тримали в руці і вискоблювали їм отвір, або ж менші екземпляри закріплювали на ратищі й надавали йому зворотно-обертового руху між долонями. Додумалися навіть обмотати тятиву лука навколо ратища й рухати лук від себе й до себе, притримуючи ратище зверху і натискаючи на нього з метою створення осьової сили. Таке лучкове свердління виявилося майже в 20 разів продуктивнішим за дворучне свердління. Океанійці й індійські племена Північної Америки для свердління винайшли навіть маховик на осі й бечівку, з’єднану з планкою. Важкий маховик у такому пристрої не тільки з певною осьовою силою тиснув на свердло, але й до того ж примушував його обертатися по інерції. Цікаво, що свердління товстих кам’яних знарядь здійснювали з двох боків, суміщаючи центри. Не обійшлося тут і без загадок для археологів, що тривалий час не могли зрозуміти призначення циліндричних кам’яних стовпців, знайдених у місцях розкопок неолітичних стоянок первинної людини. Потім виявилося, що це «витрати виробництва» порожнинного свердління трубчастим свердлом. Особливо ясно про це говорить кам’яна сокира-клин з незакінченим свердлінням отвору. Порожнинне свердління свердлами з бамбука в південних країнах і з трубчастих кісток у північних народів з обов’язковим підсипанням абразивного піску, наприклад, кварцового, стало великим кроком уперед, оскільки при цьому досягалася економія сил, підвищувалася продуктивність праці й до 70 відсотків матеріалу в зоні отвору не руйнувалося, а залишалося у вигляді кам’яних стовпців.

Свердління отворів розпочалося у кам’яному віці:

а — таке сверло тримали безпосередньо рукою; б — маленькі свердла закріплювали в древку; в — кам’яне знаряддя з незакінченим двостороннім свердлінням; г — результати роботи порожнинного свердла

Слід відзначити, що ефективність такого порожнинного свердління з абразивними частками і змащенням водою була такою високою, що з успіхом застосовувалася і в бронзову добу, особливо при обробленні кам’яних знарядь. Археологічні знахідки та писемні джерела, що належать до IX—XI століть, дають уявлення про два види свердел. Це спіральні свердла — бурав, сверель, що мали праве (за годинниковою стрілкою) робоче обертання й досягали довжини до 370 міліметрів при діаметрі від 6 до 21 міліметра. Були в обіході майстрів і пероподібні свердла — напар’я, схожі на ложку, якими свердлили отвори діаметром побільше. Технологія отримання свердел була непростою, оскільки часто застосовувалося ковальське зварювання. На залізну основу наварювалося сталеве вістря, яке потім піддавалося загартуванню й заточенню. Інколи наконечники пероподібних свердел робили багатошаровими і так, на вістря, виходила сталева пластинка дуже високої твердості. Це показує наявність не тільки прагнення економії дорожчої й твердішої сталі, але й практичне застосування принципу самозаточування.

 

Свердла майстрів давнини:

а — спіральні свердла-бурави IX—XI століть; б — пероподібні свердла давнини; в — спіральні свердла-бурави XVII століття

При цьому металознавчий аналіз показує, що сталеве вістря мало високий вміст вуглецю — до 0,9 %. Застосовувалася і цементація. Тоді вміст вуглецю в сталі сягав 1,2 %. Для цього інструмент вкривали салом, обмотували смужками з козячої шкіри, потім обмазували глиною і клали в ковальський горн  до моменту згоряння шкіри. Форми спіральних буравів і пероподібних напар’я були такими раціональними для тих часів, що вони майже в незмінному вигляді продовжували застосовуватися і в XVII столітті. І тільки на початку XIX століття — у 1822 році з’явилося всім відоме свердло з гвинтовими канавками.

Що ж являє собою спіральне свердло? Спіральне свердло має два зуби, що згорнуті по спіралі і утворюють так звану робочу частину свердла. З одного боку робоча частина переходить у шийку і конічний або циліндричний хвостовик, призначений для закріплення свердла в патроні верстата або ручного дриля, а з іншого боку вона починається з різальних клинів. Ці клини мають передню й задню поверхні, на перетині яких і розташовано головну різальну кромку. По передній поверхні сходить стружка і, закручуючись у спіраль, просувається по гвинтовій поверхні канавки свердла. Задня поверхня, як і в будь-якого простого різця, намагається не заважати процесу обробки і не піддаватися надмірному тертю об поверхню різання. У цьому їй допомагають задні кути, що утворюються між дотичною до задньої поверхні в заданій точці різальної кромки і дотичної у тій самій точці до окружності її обертання навколо осі свердла.

 Тривалий шлях удосконалення технології обробки рано чи пізно мав привести до появи якісно нового елемента в технології. Ним стала перша в історії людства установка для оброблення отворів у кам’яних знаряддях.

Необхідність отримати отвори в кам’яних сокирах і молотках виникла у людини давно. Вірогідно, випадок підказав йому, що таке кам’яне знаряддя можна закріпити на дерев’яній державці більш міцно й надійно. Але намагання зробити такий отвір кам’яним свердлом зазвичай закінчувалися невдачами і поступово людина усвідомила, що інструмент має бути більш міцним, ніж оброблюваний ним матеріал. Отже, потрібен був інший інструмент. Деякий досвід до цього часу вже був. Уже в давні часи людина почала усвідомлювати, що предмети з добре відполірованою поверхнею гарніші, а часто й зручніші у використанні. І поступово вона навчилася полірувати їх, використовуючи для цього дані йому самою природою інструменти. Спочатку камені шліфувалися просто тертям об поверхню піщаника з гострими, не дуже міцно зв’язаними зернами. Завдяки такому зв’язку між частинками піщаника ті з них, що затупилися в процесі роботи, викришувалися й на їхнє місце в роботу включалися нові зерна. Робоча поверхня такого каменя постійно оновлювалася. Ті самі зерна, що відокремилися від інструмента, катаючись між каменем і шліфованим предметом, тільки сприяли обробленню. Але після оброблення одним каменем поверхня виходила гладенькою з майже невидимими рисками, а після оброблення іншим великі риски зводили нанівець усю затрачену працю. І майстер зробив висновок: чим більші зерна у каменя, тим гіршою є оброблена поверхня.

Імовірно, бажання цілком використати цінний шматок каменю для шліфування примушувало майстра вдаватися до різних способів його кріплення, яким би малим цей камінь не був. Застосовувалися для цього дерев’яні палички та дощечки. Досвідчений майстер рано чи пізно мав помітити, що навіть окремі частинки цього каменя, його залишки, перебуваючи між обробленою поверхнею та дощечкою, шліфують також дощечку, що прикладається до грудей. Пізніше на паличку намотували мотузку й смикали її то в один, то в інший бік, як під час видобування вогню.

У подальшому цей метод багаторазово удосконалювали: замість мотузки почали використовувати лук, що значно підвищило продуктивність і дало можливість працювати одній людині; замість палки іноді застосовували трубчасті предмети (кістки великих тварин, бамбук), це підвищувало тиск, зменшувало кількість матеріалу, що підлягав стиранню, і полегшувало центрування.

Але найголовніше стосувалося пристрою, за допомогою якого фіксувалося взаємне розташування оброблюваного предмета й інструмента. Воно складалося з двох кілків і поперечини, що їх з’єднувала. Цей пристрій ще більш підвищив продуктивність праці та якість обробки. Саме він і є попередником усіх металорізальних верстатів.

Пристрій для отримання отворів у кам’яних знаряддях

На цьому перша частина екскурсу в історію металообробки завершується. Про подальший розвиток металорізальних верстатів ми поговоримо у наступних публикаціях