Теория резания: ликбез. Лирический комментарий про рез от Николая Рожнова

Большая часть инструмента, применяемого в обработке металла, и почти весь деревообрабатывающий относятся к режущему, поэтому мы решили рассказать любителям мастерить о тонкостях процесса резания. Конечно, для выпускников технических вузов этот материал вряд ли содержит что-то новое, но для остальных наверняка будет полезен.

Все режущие инструменты имеют в основе своей клин или нож (1), включая ножницы, которые тоже есть не что иное, как два встречно движущихся клина. Остальные различия связаны только с взаимным расположением, перемещением и размерами этого режущего клина.

НОЖ
Начнем с ножа как самого распространенного инструмента, которым все пользуются много раз в день, например при приготовлении пищи.

Плоскости заточки, или спуски ножа, сходятся вместе по линии, которая и является режущей кромкой. Очевидно, что тонким кухонным ножом резать хлеб легче, чем топором, а колуном резать вообще невозможно. Из этого суждения ясно, что чем тоньше клин, тем лучше он режет материал. Однако малая толщина вступает в противоречие с прочностью клинка — слишком тонкий можно просто сломать или согнуть.

Этот случай самый простой, так как усилие прилагается строго в плоскости симметричного в сечении клинка и боковых нагрузок на него почти нет. (К слову, при шинковке продуктов нож тупится не от резания как такового, а больше от отодвигания нарезанного в сторону по доске, когда кромка как бы строгает ее поверхность.)

Если прийти с тем же ножом в мастерскую и построгать им дерево, он затупится много быстрее, чем на кухне — при снятии стружки клин ножа (в других случаях это будут и железко рубанка, и зуб фрезы) движется под неким наклоном к обрабатываемому материалу, снимая стружку. В этой ситуации боковые стороны нашего ножа, который теперь фактически является резцом, становятся неравнозначными и получают свои названия.

Передняя грань резца (ножа) обращена к той стороне заготовки, которую надо обработать, и по ней скользит стружка. Задняя грань обращена к уже обработанной поверхности. А режущая кромка ножа стала главной режущей кромкой резца. Почему главной? Да потому, что у токарного резца есть еще и вспомогательная кромка.

Итак, при относительно прямолинейном движении резца, плоскость которого перпендикулярна направлению подачи инструмента, силы сопротивления разрезаемого материала (они равны усилиям подачи и главного движения) направлены на главную кромку. Процесс резания сопровождается образованием стружки, которая, какни странно, и определяет режимы резания и настройку инструмента.

СТРУЖКА
Внедряясь в материал, вершина режущей кромки резца отсекает от него стружку. Поскольку резец имеет некий угол наклона к материалу и отклоняет стружку вверх, то чем больше угол наклона, тем круче «горка», на которую вынуждена «взбираться» стружка. Она имеет ограниченную гибкость, отчего возникает явление ломания стружки по поверхности скола (2). Эта поверхность, с одной стороны, существует лишь в нашем воображении (ее нельзя потрогать или увидеть) — она в каждый момент времени перемещается впереди резца. С другой — она совершенно реальна, так как скалывание стружки происходит параллельно мгновенному ее положению.

Длина стружки зависит от материла. Скажем, у металла и некоторых пластиков стружка короче, чем путь резца, так как частички материала как бы набегают одна на другую. У дерева, напротив, длина стружки может быть равна длине пути режущего инструмента.

Отгибаемая вверх стружка нагревает резец и нагревается сама. Это обусловлено как деформацией стружки, так и ее трением об резец. Если материал очень пластичный, например латунь, капролон, фторопласт или аналогичные пластики, то поверхность стружки (она называется сливной), обращенная к резцу, выглядит непрерывно-гладкой и блестящей. У токарного станка сливная стружка получается в виде длинной ленты, быстро бегущей из-под резца. А фрезерный снимает сливные стружки, завитые в виде спиралек или запятых.

Если же материал чуть менее пластичен, то получается стружка надлома, которая состоит из маленьких кусочков с неровной поверхностью.

И наконец, чугун и бронза в основном образуют стружку скола в виде отдельных частиц-кусочков, которые летят с резца по отдельности. Причем длина этих кусочков равна глубине резания, а толщина крайне мала. Такие «стружки-иголки» доставляют немало неудобств рабочему. Перечисленные типы стружек наглядно проиллюстрированы на рисунках (3, 4).

Однако усилие, прилагаемое вершиной резца к материалу, не только отделяет стружку, но и частично расходуется на создание некоторых изменений структуры материала (наклеп в случае стали) и нагрева обработанной поверхности. По этой причине многие пластмассы нельзя точить на высоких скоростях — заготовка просто-напросто оплавится.

Примечательно, что подбором скорости резания и формы заточки резца можно добиться того, что большая часть образующегося тепла передастся стружке, а не детали. Такое возможно потому, что скорость теплопередачи конечна, и если нагретая внутренней деформацией стружка удаляется от кромки достаточно быстро, то нагрев детали уменьшается.

ШЛИФОВАНИЕ
Абразивная обработка тоже относится к резанию, но с тем отличием, что абразив состоит из многочисленных зерен, каждое из которых можно представить как миниатюрный резец, имеющий положительный передний угол. В результате отходы процесса шлифования выглядят как пыль.

Поверхность напильника или листа шлифбумаги можно представить как совокупность резцов-пирамидок (на напильнике они видны невооруженным глазом), которые скоблят поверхность.

ОСОБЕННОСТИ ДРЕВЕСИНЫ
При обработке дерева сливная стружка образоваться не может (из-за хрупкости этого материала) — образуется стружка либо надлома, либо скола. Нагрев обработанной поверхности возникает от трения о режущую кромку, и ввиду малой теплопроводности дерева и его физико-химических свойств некоторые породы дерева при больших скоростях фрезерования склонны к прижогам.

УПРАВЛЕНИЕ РЕЗАНИЕМ
На практике процессом резания можно управлять несколькими способами. Перечислим главные параметры.

Наклон передней грани резца к поверхности (угол резания). Чем этот угол меньше, тем меньше и усилие резания, но возникает вероятность отщепов, из-за которых поверхность будет испорчена. Увеличение угла переводит резание в специфический режим, именуемый в деревообработке скоблением. В этом случае практически исключаются отщепы, зато сильно падает производительность, а режущий инструмент ускоренно затупляется.

Рассмотрим для примера дисковую пилу — из-за ее размеров она очень наглядна. Если глубина реза небольшая, то диск высунут из подошвы мало, и расстояние от точки, где он выходит из подошвы, до перпендикуляра к оси диска тоже невелико. При большом вылете диска данное расстояние больше, и угол наклона режущей кромки тоже довольно сильно изменяется. Практически вылет диска не может быть меньше толщины доски, иначе она не будет распилена. Именно углом резания обосновывается рекомендация настраивать вылет диска так, чтобы из обратной стороны доски он выступал только на половину зуба.

Глубина подачи (толщина съема). Чем она больше, тем толще стружка и большее усилие требуется для ее излома на передней поверхности резца (если это усилие превысит прочность волокон дерева, то тоже получится отщеп или вырыв). При уменьшении съема усилие резания и тепловыделение понижаются, но возрастает время работы за счет увеличения количества проходов.

Скорость подачи. В случае фрезерования толщину стружки при той же глубине съема можно уменьшить более медленным перемещением фрезера по доске (медленной подачей). К слову, у вращающегося инструмента угол резания зависит не только от конструкции режущего элемента (диска, фрезы), но и от съема материала.

Скорость подачи для стамески или механического рубанка не имеет значения, так как они приводятся в движение человеком. Для моторизованного режущего инструмента главным движением будет вращение фрезы или диска пилы, а подача создается усилием человека по его желанию. И чем быстрее вы ведете фрезер или пилу (которая тоже есть вид тонкой дисковой фрезы большого диаметра), тем толще стружка и больше усилие резания. Замечу, что общий расход энергии на одну и ту же работу по съему некоторого количества материала постоянен, просто при быстром ведении инструмента эта работа будет выполнена быстрее и с большим расходом мощности, а при более медленном — за большее время с меньшей мгновенной мощностью на валу. Так как для большинства инструментов наклон передней грани задан его конструкцией и не может изменяться, остается управлять только подачей, т. е. движением инструмента относительно детали.

Острота инструмента. Затупление инструмента фактически означает, что угол резания меняется с отрицательного (острого) на положительный. То есть резание превращается в скобление, отчего возрастает усилие и ухудшается качество, так как часть усилия идет не на отделение и разрушение стружки, а на оттеснение части материала к обработанной поверхности. Результат — нарушение структуры поверхности, нагрев, появление вырывов и других дефектов. Эти рассуждения подтверждаются на практике.

В статье использованы рисунки из книги «Технология металлов» под редакцией Н.П. Дубинина, Москва, Машгиз, 1952 г.

ПРО РЕЗ
Лирический комментарий от Николая Рожнова

Само название журнала — «Потребитель» — предопределяет тему нашего разговора, ведь мы с вами являемся потребителями всего того, что сами и производим.

Я, например, делаю ручные рубанки, и мой сегодняшний рассказ — продолжение статьи «Рубанок Рожнова — Удивительные рубанки», опубликованной в журнале «Наука и жизнь» № 4’2004 (если она вас интересует, воспользуйтесь поиском в Интернете).

На Земле был Мастер первый,
Слово нам сказал:
С ДРеВом будьте —
ЗДРаВы будем,
Имя Мастера забыли,
Слово помним, говорим:
ЗДРаВствуй —
Первому — вторим,
Для России стало верным —
Слово ДРеВо было первым.

Дерево было на Руси первым источником тепла и света. Но я полагаю, что и звука: «Стружку снять не каждый может — каждый может постучать». Следуя известному выражению «Куда ни кинь — везде клин» (в реальности так оно и есть: клин рубит, пилит, строгает, сверлит, бурит, копает, пашет и т. д.), каждый из вас может продолжить и рассказать о своем клине, а я уж, позвольте, продолжу о своем — рубанке.

Клином первым камень был,
Но железным пОтом вышел —
Стал стальным.

Вся эволюция развития клина (а вместе с ним и человека) укладывается в отрезок от клина-камня до клина — стального резца. Все клинья, по сути, совершают процесс резания.

Рез
Резкость света
Ток
Токарь крутит
Резчик режет
Древо точит
Точкой черной червь

Но оставим пока в покое токаря и червяка. Правила реза по дереву задает сама природа — по волокнам. Следовательно, самый полный светоток мы получаем, когда делаем непрерывный продольный рез (к слову, именно на этом специализируются японские резчики), и стружка — тому подтверждение. Естественно, такой рез делает только рубанок.

«Каково изделие, коль отходы хороши?» — так можно сказать только об изделиях, вышедших из-под рубанка. Из всех рубанков я выделяю рубанок-калевку, делающий самый сложный рез — профильный. Как сделать калевку, описано в журнале «Потребитель. Инструменты» № 8’2009. Можно восстановить и старые, дедовские, рубанки.

У дерева есть корни,
Человек имеет их —
Раскапывать не надо,
Вы же знаете про них,
Покопайтесь у себя —
По рубанкам старым, ржавым —

Предков вспомните своих. Наши деды — хорошо ли, плохо ли — но делали рубанки, и по ним о самих мастерах судили — каковы они. Я считаю, что другого пути нет — раскрыть свет (душу) дерева можно только с помощью ручных рубанков.

ДеРЕВянным Мир был ДРЕВний,
Коли ДРЕВ в нем корень есть,
Вся Россия из ДеРЕВни — значит,
Корень Мира (= Света) здесь.

Чем тоньше стружка — тем полнее и богаче мы раскрываем дерево. Раскрываем дерево — раскрываем Вселенную (из японской философии). Делаем вывод (следуя сегодняшним веяниям): стружку можно развить до нано-стружки, а это значит, что мы на пути открытия нового, неизвестного доселе нам Света. Кстати, нано-стружку можно снять только нано-стругом, но об этом как-нибудь в другой раз…

С уважением к Резу,
Николай Рожнов

Статья опубликована в выпуске журнала «Инструменты» серии «Потребитель» №05’2011

Авторы: Алексей АЛЕСКОВСКИЙ, Николай РОЖНОВ