Сучасність металообробки

Сучасні верстати й верстатні професії

Протягом тисячоліть токарний верстат був єдиним пристроєм для отримання деталей з правильною геометричною формою поверхонь, а токар — єдиним представником верстатних професій. Потреби виробництва епохи промислового перевороту сприяли відкриттю нових технологічних методів обробки металів і створенню нових видів металорізальних верстатів. Список верстатних професій значно поповнився. Але справжній розквіт верстатної справи розпочався вже у ХХ ст. Потреби суспільства — це кращий каталізатор нових технічних ідей, на основі яких народжуються нові методи обробки й машини. А сучасні потреби — це, перш за все, велика різноманітність і висока якість виробів. Тому в ХХ ст. у міру розвитку техніки постійно удосконалювали традиційні методи обробки та верстати, а також розробляли нові. Відповідно виникали нові верстатні професії та змінювався зміст старих.

Верстати сучасних моделей відрізняються від своїх попередників більшою потужністю й швидкохідністю. Тому на них можна з високою швидкістю зрізувати із заготовки великий шар матеріалу. Конструкція найважливіших вузлів, точність виготовлення деталей, з яких вони складаються, перевершує все, що будь-коли робилося промисловим способом. У верстатах з’явилися пристрої, що значно полегшують працю верстатника. Розширилася універсальність верстатів. Тепер на них можна виконувати більший круг робіт, ніж у минулому столітті.

Разом з універсальними верстатами сучасному виробництву, як ніколи, потрібні спеціальні та спеціалізовані верстати. Спеціальні верстати призначені для виготовлення у великій кількості та з більшою продуктивністю однієї або, у крайньому разі, кількох близьких за розмірами та конфігурацією деталей. У першу чергу, таких верстатів потребує автомобільна й тракторна промисловість. Ці верстати простіші за універсальні, але в багато разів продуктивніші. Спеціалізовані верстати посідають проміжне положення між універсальними та спеціальними. Вони призначені для оброблення деталей якогось одного класу, наприклад, валів. Така спеціалізація дає можливість максимально пристосувати їх для цієї мети і тим самим підвищити продуктивність і точність оброблення порівняно з універсальними верстатами.

Спеціальний верстат для фрезерування пазів ротора

У результаті удосконалення старих і створення нових верстатів на сьогодні утворилися групи верстатів. Серед них можна назвати найпоширеніші групи сучасного виробництва — токарні, фрезерувальні, свердлувальні та розточувальні, стругальні, зубооброблювальні, різьбооброблювальні, шліфувальні та оздоблювальні.

Ви вже знаєте, що токарні верстати призначені для оброблення на заготовках поверхонь обертання. Нині склалася значна група свердлувальних і розточувальних верстатів, яка відіграє велику роль на виробництві. Власне кажучи, розточування як технологічний метод ближчий до точіння. Але враховуючи, що розточування, як і свердлування, призначено для оброблення отворів, ці різні верстати об’єднані в одну групу.

До свердлувальних верстатів разом з традиційними вертикально- й горизонтально-свердлувальними входять радіально-свердлувальні та різні спеціальні. На всіх свердлувальних верстатах можна отримати отвір у суцільному матеріалі, розсвердлити його до більшого діаметра. Крім цих робіт на них нарізають внутрішню різьбу і виконують цілу низку специфічних операцій з отворами.

 Збільшення кількості великогабаритних і важких заготовок викликало великі труднощі при використанні для їх обробки звичайних вертикально-свердлувальних верстатів. Адже для свердління кожного наступного отвору на одній і тій самій заготовці її необхідно відкріпити й пересунути відносно інструмента. Пересунути так, щоб вісь інструмента точно збіглася з тим місцем, де має бути вісь майбутнього отвору. Потім заготовку знову слід закріпити. Тільки після цього можна продовжити обробку. Коли заготовка невелика і неважка, верстатник, маючи певний досвід, досить швидко й точно виконає цю операцію. Але уявіть собі заготовку станини металорізального верстата, в якій необхідно просвердлити багато отворів і в них нарізати різьбу. Звичайно, вручну пересувати її взагалі неможливо. Виконати таку процедуру можна краном. Тільки наскільки це буде зроблено точно?

Саме тому для обробки таких заготовок і було створено радіально-свердлувальний верстат. При роботі на ньому заготовка залишається нерухомою. А шпиндель разом з інструментом можна пересувати відносно неї й встановлювати в потрібне положення з малою похибкою.

На свердлувальних верстатах не можна обробляти отвори великого діаметра. Для цього застосовують розточувальні верстати. У XIX столітті було створено горизонтально-розточувальний верстат, щоправда, називався він горизонтально-фрезерувальним, або фрезо-свердлувальним. І це дійсно показує його універсальність. На розточувальних верстатах можна не тільки виконувати ті самі роботи що й на свердлувальних, але й фрезерувати, розточувати і навіть обточувати зовнішні поверхні обертання. Розточувальний верстат — своєрідний комбайн. Але всі ці види робіт зазвичай виконують на корпусних заготовках. Власне, для їх оброблення розточувальні верстати й призначені. Крім горизонтально-розточувальних створено й інші типи — координатно-розточувальний і алмазно-розточувальний.

Своєрідними «аристократами» серед верстатів є координатно-розточувальні. Вони призначені для виготовлення найважливіших за призначенням деталей. Найтиповішою роботою на них буває обробка отворів з малими відхиленнями їх взаємного розташування. На таких верстатах передбачено спеціальний відраховуючий пристрій, наприклад, оптичний, за допомогою якого можна здійснювати пересування заготовки відносно інструмента з похибкою не більше 0,001 мм. Сам верстат виготовляють дуже ретельно. У багатьох випадках його навіть використовують як контролюючий пристрій, наприклад, для контролю відхилень розмірів на оброблених корпусних деталях.

Координатно-розточувальний верстат 

Координатно-розточувальні верстати потребують особливих умов експлуатації. Зокрема, вони можуть правильно працювати тільки в умовах термоконстантного приміщення. Це таке виробниче приміщення, в якому температуру й вологість постійно підтримують у суворо визначених межах. Наприклад, температура незалежно від пори року й доби має бути 20±1 °С.

Алмазно-розточувальні верстати застосовують для остаточної обробки отворів відповідальних корпусних деталей верстатів, циліндрів авіаційних і автомобільних двигунів тощо.

Окрему групу верстатів складають стругальні й протяжні. Як поперечно-, так і подовжньо-стругальні верстати широко застосовували для оброблення площин ще в ХІХ ст. Перші — для оброблення невеликих заготовок, другі — для виготовлення великогабаритних корпусів. Істотним недоліком стругальних верстатів є невиробничі витрати часу на допоміжний хід. Це властиво майже всім механізмам, які здійснюють зворотно-поступальний рух. Тому вважають, що ці верстати застаріли. Правда, ще в ХІХ ст. в технічній літературі підкреслювали, що фрезерні верстати переважніші за стругальні. Але, незважаючи на це, стругальні верстати протрималися майже століття і цього часу успішно застосовуються в промисловості.

Галузь застосування протяжних верстатів постійно розширюється. Якщо спочатку їх почали застосовувати у великосерійному та масовому виробництві, то останнім часом їх використовують і для виготовлення невеликих партій деталей. Протягування здійснюють протяжками, які відносять до найскладніших сучасних різальних інструментів.

Протяжні верстати для внутрішнього протягування дозволяють з великою точністю обробляти отвори будь-якої форми поперечного перерізу: круглі, квадратні, прямокутні тощо. На протяжних верстатах для зовнішнього протягування можна отримати будь-які зовнішні поверхні, у тому числі й фасонні лінійчаті. Головна перевага протягування — висока продуктивність і якість обробки.

Верстати фрезерної групи складають значну частину верстатного парку. Плоскі поверхні на заготовках невеликих габаритів обробляють на горизонтальних або вертикальних фрезерних, а корпусні заготовки великих деталей — на подовжньо-фрезерних верстатах. Разом із цими універсальними верстатами застосовують верстати інших типів, призначені для виконання певних робіт або для роботи в специфічних виробничих умовах. До таких верстатів належать шпонково-фрезерні, карусельно- й барабанно-фрезерні, копіювально-фрезерні верстати. Карусельно- й барабанно-фрезерні верстати відносять до верстатів безперервної дії та застосовують у масовому виробництві. У цих верстатів стіл виконано як карусель або барабан, які безперервно обертаються відповідно відносно вертикальної та горизонтальної осей. А верстатник, не зупиняючи верстата, встановлює заготовки у швидкодіючі пристрої й знімає виготовлені деталі.

Нащадками «віртуозів» з виготовлення художніх виробів є фрезерувальники копіювально-фрезерних верстатів. Потреба в продукції таких верстатів у промисловості дуже велика. Досить сказати, що саме на них виготовляють найскладніший інструмент для штампування на пресах, наприклад, деталей кузова сучасного легкового автомобіля, та й не тільки легкового. Зазвичай ці деталі є складним сполученням плоских, циліндричних, конічних і фасонних поверхонь. Отже і штамп, у якому формоутворюється ця деталь автомобіля, повинен мати таку само поверхню. Саме такі штампи роблять на копіювально-фрезерних верстатах, зазвичай за дерев’яними моделями.

Копіювально-фрезерний верстат

Значну роль у сучасному машинобудуванні відіграють зубо- та різьбообробні верстати. Це пояснюється великою кількістю зубчастих коліс і деталей з різьбою, що потрібно для сучасних машин.

Застосовують у промисловості зубодовбальні, зубостругальні й інші зуборізні верстати. Але, незважаючи на всі свої переваги, зуборізні верстати не забезпечують тієї якості зубчастих коліс, яке потребується для сучасних виробів. Тому нарізані зубчасті колеса піддають оздобленню. Група верстатів для оздоблення зубчастих коліс постійно розширюється й необхідність у них весь час збільшується. До них належать зубошліфувальні, зубошевингувальні верстати, верстати для притирки зубчастих коліс та інші.

На сьогодні особливого значення набули шліфувальні й оздоблювальні верстати.  Можна сказати, що без них практично немислимо зробити досконалу машину. Зараз широко використовують давно відомі поверхні. Але все більшого значення набуває розмірна обробка абразивним інструментом. Саме шліфування дозволяє отримати правильну геометричну форму обробленої поверхні. А здатність абразивних зерен зрізати з поверхні заготовки найдрібніші частки матеріалу надасть можливості залишати під шліфовку дуже малі припуски. Тому в стружку йде дуже незначна частина матеріалу. У цьому відношенні методи абразивної обробки дуже економічні. Вони близькі до безвідхідної технології, яка на сьогодні набуває дуже великого значення. І, нарешті, обробка абразивним інструментом все частіше стає єдиним методом отримання деталей з нових високоміцних і твердих матеріалів. Тому практично немає в наш час виробництва, на завершальних етапах якого деталі не піддавалися б шліфуванню, поліруванню, притиранню, хонінгуванню на відповідних верстатах.

Картина буде неповною, якщо ми не згадаємо ще одну групу верстатів, яка почала формуватися понад тридцять років тому. Тим більше, що розвивається вона в наш час швидкими темпами. Йдеться й про звичні вже на виробництві верстатах для електроерозійної обробки і про щойно впроваджуваних верстатах для лазерної обробки. Між цими двома типами верстати для ультразвукової, електронно-променевої, електрохімічної обробки тощо. Але це вже окрема розмова...

Верстат для електроерозійної обробки

  

Звичайно, в такому короткому огляді ми могли згадати тільки найпоширеніші верстати в кожній групі, та й не всі групи ми встигли розглянути.

Слід сказати, що верстати різних типів можуть бути й різних класів точності: нормального, підвищеного, високого, дуже високого й особливо точного. Але й це ще не все. Верстати одного типу випускають за розмірними рядами. Розмірним рядом називають однотипні верстати, що мають різні основні розміри. Наприклад, стандартом передбачено тринадцять розмірів токарно-карусельного верстата з найбільшим діаметром заготовки 0,8—16 метрів.

Таким чином, існує велика кількість різних верстатів, застосовуваних у сучасному виробництві.

А як справи із сучасними верстатними професіями? Чи означає це, що на верстатах кожної моделі може працювати особливий фахівець? Чи в наш час усі так підготовлені, що кожний верстатник може працювати на будь-якому металорізальному верстаті?

Верстати кожної групи мають не тільки специфічні особливості улаштування, але й цілком визначену галузь застосування. Відповідно до цього нині склалися професіональні групи верстатників: токарів, фрезерувальників, свердлувальників, шліфувальників, стругальників, різьбо- та зубообробників. Є й група верстатних професій, пов’язана з безвідходною технологією обробки на основі методів пластичної деформації поверхневих шарів заготовки. Разом з ними в останні роки склалася зовсім нова професіональна група верстатників. У їхніх руках інструментом став ультразвук, електрика, хімічна енергія, світло, електрони, плазма. Однак закономірності формоутворення поверхонь деталей залишилися попередніми. Тому верстати, що працюють новими інструментами, за улаштуванням мають багато спільного зі звичайними металорізальними верстатами.  А представники таких екзотичних професій, як електроерозійник, електрохімобробник або оператор ультразвукової установки не відокремилися від верстатників, а утворили серед них нову професіональну групу.

Тепер дерево верстатних професій є гілчастим і густолистим. Його могутні гілки тримають листки старих традиційних верстатних професій. Але особливо багато листя на молодих пагонах. Вони показують зародження й розвиток нових верстатних професій. Чому ж так багато гілок у старого дерева?

Ускладнення верстатів, інструментів, технології обробки все в більшому ступені сприяє тому, що професіональні групи верстатників нібито уособлюються. Між ними підсилюються відмінності. Висока кваліфікація представників кожної з професіональних груп пов’язана з усе більшою їх спеціалізацією. Щоб бути майстром своєї справи, токарю, фрезерувальнику, шліфувальнику й представникам інших професіональних груп необхідно постійно поглиблювати знання в своїй галузі, розвивати навички роботи на верстатах певної групи. Це, так би мовити, спеціалізація верстатників за професіональними групами. Водночас відбувається спеціалізація верстатників усередині кожної професіональної групи. Це призвело до диференціації професій верстатників.

Представники кожної професіональної групи розділилися на дві великі підгрупи. Одні з них почали працювати на верстатах, призначених для виконання найрізноманітніших робіт. Ці верстати почали називати універсальними, а верстатників — універсалами. Інші верстатники почали обслуговувати верстати, які попередньо налаштовувалися на виготовлення певної деталі або групи дуже близьких деталей. Для цього потребувалося у верстаті внести такі конструктивні нововведення, які дозволяли б їх попередньо налаштовувати. Наприклад, серед верстатів токарної групи ще в кінці ХІХ ст. з’явилися токарно-револьверні верстати, які далі вдосконалювалися і нині широко застосовуються для виготовлення значної кількості однакових деталей. Для попереднього налагодження цих верстатів, улаштування яких тепер набагато складніше, ніж їхніх попередників, виникла нова спеціальність — наладчик. Сам процес налагодження відрізняється від процесу обробки, він потребує особливих знань і прийомів роботи. Крім усього іншого від наладчика потребується особливо висока якість роботи і, можна сказати, надійність. Адже від того, як буде налагоджено верстат, залежить і якість деталей, і продуктивність обробки на ньому.

Зростає кількість налагоджувальних професій. З’являються все нові верстати, які потребують попереднього налагодження. Ускладнюються функції наладчиків. Є наладчики токарних і фрезерних, зуборізних і шліфувальних верстатів, з ЧПК, різних спеціальних верстатів тощо. Стосовно того робітника, що безпосередньо працює на верстаті, його функції помітно змінилися. По-перше, у нього з’явилася можливість обслуговувати кілька верстатів, він став багатоверстатником. По-друге, змінився характер керування процесом обробки. Верстатнику тепер немає необхідності багаторазово контролювати розміри кожної поверхні деталі, самому розв’язувати проблему, як і в якій послідовності обробляти різні поверхні деталі. Але не слід розуміти його завдання так, що він тільки натискає кнопки або працює рукоятками, і його робота втратила будь-який творчий зміст. Крім усього іншого, він тепер багато уваги має приділяти організації своєї роботи.

Професійний розподіл відбувається і всередині однієї й тієї професії. Наприклад, у токаря-універсала: один працює на токарно-гвинторізному верстаті, інший — на токарно-карусельному. Значно відрізняється улаштування цих верстатів. Ще більше специфіки в прийомах обробки. Тому відбувся розподіл професій токаря-універсала. Тепер ми можемо зустріти на підприємстві і токаря-універсала, який працює на токарно-гвинторізному верстаті, і токаря-карусельника, і токаря-розточника й ін.

Причому часто верстатники, які працюють на однотипних верстатах, виконують таку різноманітну роботу або обробляють такі різні деталі, що доводиться говорити про їх професіональної спеціалізації. Наприклад, є токарно-карусельні верстати, на яких обробляють заготовки діаметром до 800 мм. У важкому та енергетичному машинобудуванні застосовують унікальні токарно-карусельні верстати (рис. 1.1.31). На таких верстатах останніх моделей можна установлювати заготовки діаметром до 24 000 мм. Чи є відмінність у роботі над такими заготовками? Звичайно, і чимала. Навіть вартість таких заготовок примусить замислитися над вибором фахівців для їх обробки. І, звичайно, перевагу буде віддано тому, хто вже має досвід і навички роботи з кожною з таких заготовок.

 

Унікальний токарно-карусельний верстат

Спеціалізація верстатників пов’язана й з тим, наскільки високою є потрібна точність обробки. На підприємствах багато робиться для того, щоб можна було досягти стабільної й високої точності виготовлення деталей. Для цього виділяються спеціальні верстати для так званих фінішних операцій. На них категорично забороняється виконати чорнову обробку. Ці верстати відрізняються особливо високою точністю обробки. Але цих заходів недостатньо для досягнення прецизійної обробки, вирішальною є майстерність верстатника. Його висока кваліфікація, багаторічний досвід дозволяють йому, як кажуть, «відчувати мікрометр». Саме тому серед верстатників різних професіональних груп є спеціалісти-прецизійники.

У зв’язку з великим обсягом виробництва зубчастих коліс і зростанням вимог до їх якості в сучасному машинобудуванні виділилася велика група спеціальностей з їх виробництва й оздоблення, наприклад зуборізчики, які нарізають зубчасті колеса на зубофрезерних, зубодовбальних, зубостругальних та інших верстатах. Представники цих професій мають уміти виконувати складні розрахунки з налаштування цих верстатів на обробку прямозубих, косозубих циліндричних, конічних і черв’ячних коліс з різною кількістю зубів.

З кожним роком зростає роль верстатних професій, пов’язаних з оздобленням зубчастих коліс. Справа це тонка й складна і потребує значних навичок і вмінь.

Багато й інших цікавих професій можна було б перелічити. На складних і розумних верстатах вони виконують найцікавіші роботи в найрізноманітніших галузях техніки. Існує велика кількість найрізноманітніших верстатів, весь час винаходяться не тільки нові верстати, але й зовсім нові методи обробки.

Але найбільшим досягненням нашої епохи є створення найрозумніших і найдосконаліших за всю історію людства робочих машин — верстатів-автоматів і напівавтоматів. З їх появою пов’язано і виникнення принципово нових за змістом верстатних професій.

Нині в машинобудуванні використовуються сучасні матеріали, різальні інструменти, високопродуктивне устаткування. Машинобудівна галузь безперервно розвивається.

  А ось деякий відеоматеріал для ілюстрації сучасного стану металооброблювальної галузі:

 

Про себе

Паук Валентина Василівна , стаж педагогічної діяльності - 28 років, спеціаліст вищої категорії, викладач – методист  Державного навчального закладу  «Харківське вище професійне училище №6 ».  Викладає дисципліни загально-професійної та професійно - теоретичної підготовки. Очолює методичну комісію верстатних та слюсарних професій.

Створила сучасне інформаційне забезпечення предметів, що викладає. Бере   активну участь у роботі обласних семінарів та науково-педагогічних конференцій. Розробляла  Державний   стандарт   ПТО за професією «Оператор верстатів і маніпуляторів  з ПК ». Нагороджена грамотою МОН за багаторічну творчу працю, вагомий особистий внесок у справу навчання, виховання, підготовки молодої зміни кваліфікованих робітників.

Є автором програмних  педагогічних  засобів  «Верстатник широкого профілю»  та « Слюсар з ремонту сільськогосподарської техніки ( Слюсарна справа)».

Брала  участь  у роботі науково – методичних конференцій на тему: « Актуальні питання історії науки і техніки», досліджує питання історії професійно – технічної освіти України, є автором багатьох статей та виступає з доповідями на конференціях.

Педагогічне кредо : Учень – не чаша, яку необхідно наповнювати, а факел, який потрібно запалити.

Творчі плани : Організація творчої лабораторії з апробації електронних підручників і адаптації учнів до їх застосування.

 

Для молодших спеціалістів

Для майбутніх молодших спеціалістів!

Креслення деталі

Креслення заготовки деталі

Тести Testorium: Обробка матеріалів різанням: Тема 01: Інструментальні матеріали

Testorium: Обробка матеріалів різанням: Тема 02: Геометрія , поверхні різця та площини

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