Работы по реверсивному резанию ведутся более 35 лет — первая заявка на такой способ сверления была подана в 1972 г. (а.с. №476099). За прошедший период разработаны реверсивные свёрла, резцы, фрезы. Сегодня ставится задача коренного упрощения инструментального хозяйства на базе реверсивных инструментов. Плод созрел. Цель модернизации дерево- и металлообработки — двукратное сокращение режущего инструмента при неизменном объёме производства.

Не верю…

«Не будет работать! — недавняя реакция коллег на реверсивное сверло (патент РФ №2214318) (рис. 1). — Пошли в лабораторию. Посмотрим». Спустились на первый этаж. Учёные окружили вертикально-сверлильный станок. Установили сверло в шпиндель. Настраиваем режимы. И вдруг выясняется, забыли, что универсальный станок не имеет подачи на обратное вращение шпинделя. «Ничего, — утешаю критиков, — посверлим по часовой стрелке, а что будет против часовой — увидите сами. Перья-то сверла симметричные». Тишина. Только гудение станка. Сверлит. Пластина зажата в тисках с перекосом, но сверло не ведёт, не отклоняется от оси шпинделя.
«Игорь Васильевич, почему ты пластину под углом закрепил?» — «Чтоб эксперимент был настоящим». Просверлили несколько отверстий, пластина пошла по рукам. Всех интересует качество. «Отверстие лучше, чем после обычного сверления. И не повело на наклонной поверхности». «Не ведёт, благодаря удвоенному числу режущих лезвий». «Зато трение больше, и крутящий момент выше».

Возвращаемся на кафедру. Задумались. «Всё равно спиральное сверло лучше, потому что стружка лучше отводится по винтовой канавке».
Критика — вещь полезная. Вот ещё одно сомнение: где применять такое сверло, если универсальные станки не имеют подачи на противоположное вращение? А фрезерные станки не имеют даже реверса. Но уже появились «первые ласточки» — лишённые этих недостатков станки с числовым программным управлением.

Надо сказать, что станочники и технологи давно пытаются использовать холостой ход для резания. В первую очередь, это относится к строгальным станкам с возвратно-поступательным ходом резца. Обратный холостой ход уменьшает производительность в 1,6—2 раза. Повысить производительность можно с приспособлением для качания двухстороннего резца в конце каждого хода суппорта (а.с. СССР №979025). Резцедержатель 1 с резцом 2 установлен на оси 3 в суппорте 4 (рис. 2). По обе стороны от оси качания расположены толкатели 5; один действует от электромагнита 6, другой — от пружины 7. При ходе резцедержателя в одну сторону его отклоняет электромагнитный толкатель, в другую — подпружиненный. Резец снимает припуск с заготовки 8 за каждый ход суппорта.

Но проще строгание в любом направлении осуществить, используя упругодемпфируемый резец 1 (а.с. СССР №1052345) с двумя лезвиями (рис. 3). Он имеет упругий хвостовик 2 и упоры 3 по обе стороны. Хвостовик крепится в суппорте 4.

При строгании резец отклоняется возрастающей силой резания F до жёсткой посадки на упор 3, который и воспринимает максимальную силовую нагрузку. Упругий хвостовик гасит динамическую силу, и резец плавно врезается в деталь на угле своего отклонения G. Неработающая режущая кромка отходит от детали. При обратном ходе резец отклоняется в другую сторону. Не работавшее лезвие становится режущим, а работавшее отдыхает. Плавное врезание и чередование работы лезвий позволяют увеличить скорость резания без уменьшения стойкости резца; производительность увеличивается более чем в два раза.

Двухсторонний резец 1 (а.с, №1052345) предназначен для точения с противоположными подачами (рис. 4). Его треугольные твёрдосплавные пластины 2 закреплены прихватом 3, упругий хвостовик 4 зажат в держателе 6. Принцип работы аналогичен строгальному резцу, с той лишь разницей, что отклонение резца происходит под действием осевой составляющей силы резания. Регулируемые упоры 5 — винты с контргайками позволяют точнее настраивать зазор у неработающего лезвия от обработанной поверхности.

Величина зазора фактически соответствует радиальной деформации детали. Она незначительна на участке между лезвиями, и двухсторонний резец может работать в обоих направлениях без упругого хвостовика (а.с. №1393534) (рис. 5). Этот вывод явился настоящим сюрпризом: можно значительно упростить резцы и, как показан дальнейший путь развития, все другие инструменты реверсивного резания.

От древних ремёсел

Появилось острое желание заглянуть в историю механической обработки. Ещё три с половиной тысячи лет назад египтяне сверлили бусины, вращая сверло в обе стороны лучковым приводом. На росписи из гробницы в Фивах (1450 г. до н.э.) мы видим, как мастер двигает взад-вперёд тягу с тетивой (рис. 6). Тетива огибает упругую луку и обвивает стержень с инструментом, шпиндель по-нашему. Левой рукой мастер давит через керамическую чашку — упорный подшипник — на шпиндель и осуществляет осевую подачу инструмента. Всё, как в современном сверлильном станке, разве что уступающем древнему в возможности реверсивного резания.

Ещё интереснее следующий сюжет той же росписи (рис. 7, а). Мастер усовершенствовал способ. Вместо одного сверла мы видим в его руке три. Три! И сверлит он всеми одновременно. Подмастерье не поспевает надевать бусины на нить. «Как это ему удаётся? — спрашиваю своих студентов, слушателей курса «История техники». — Как осуществляет мастер осевую подачу трёх свёрл сразу?» Молчат.

В папирусах Нового царства Египет (XV в. до н.э.) упоминается, что сверловшики бус приводили в движение до пяти свёрл одновременно! Чем не современный многошпиндельный станок!? И во времена фараонов были многостаночники: сверловщики, прядильщики на двух прялках, медники, двумя мехами раздувавшие горн.

Размышляя о приёмах древних, можно разгадать секрет вращения и подачи трёх свёрл одновременно. Деревянные стержни с наконечниками из кремния или обсидиана мастер устанавливал между пальцами. Чтобы стержни не проскальзывали при нажиме, они имели кольцевые канавки в виде жёлоба. Свёрла приводились во вращение обвивающей тетивой, закреплённой в тяге. Судя по размаху руки, ход тяги не меньше метра. Как на скрипке играет, только вместо струн свёрла. За ход тяги стержни диаметром с карандаш, 10 мм, делают 30-35 оборотов и столько же в другом направлении при обратном ходе. Другими словами, реверсирование происходит через несколько десятков оборотов. Очень разумный режим.

Современное вибрационное сверление с наложением крутильных колебаний частотой 500 Гц и выше принципиально отличается от древнеегипетского реверсивного, ибо не меняет направление вращения. Как же удавалось древним мастерам так сверлить стекло, камень, керамику, прочие твёрдые материалы? Рабочий участок древнего сверла представлял собой скол минерала. Его грани имели острые углы при вершинах, не все ребра касались отверстия, но контактные срезали обрабатываемый материал (рис. 7, б). Резание представляло собой хрупкое разрушение и истирание материала заготовки. Заготовка бусина заделана в мастику для крепления на рабочем столе. Вы видите её с недосверлённым отверстием в увеличенном масштабе между мастером и подмастерьем (см. рис. 7, а).

В раннем Средневековье токарные станки тоже работали от лучкового привода. Огромный лук, закрепленный на потолочной балке, имел тетиву. От неё спускался канат к шпинделю, обвивал его и соединялся с ножной педалью. Нажимая на педаль, мастер оттягивал канат. Шпиндель вращался, и токарь обтачивал деталь за несколько оборотов. Выбрав ход, он отпускал педаль, и лук, распрямляясь, оттягивал канат обратно, вращая шпиндель в противоположном направлении. Токарь отводил резец от детали — холостое вращение, простой в работе. Такие станки назывались альтернативными, от латинского слова alternare — чередовать.

К XVI в. прогресс заставил сменить реверсивное вращение на одностороннее непрерывное. Это повысило скорость и производительность резания. Повлиял инструмент с односторонним лезвием: резец, сверло. Но альтернативные станки сохранились у некоторых ремесленников. В Швейцарии, например, на них и поныне вытачивают сувениры из дерева для туристов. Тихо, без вредных отходов, И никаких расходов — амортизационные отчисления компенсированы 500 лет тому назад. Энергия, привод, программа движений — всё в ногах, руках и голове мастера.

Телега прогресса в ремёслах ползёт медленно, как черепаха; не то, что в мире информатики. Приёмы труда не меняются, а усиливаются, механизируются, автоматизируются, убыстряются. Генетика скребков, долот и лопат остаётся в современных орудиях труда. По-видимому, имеются вечные приёмы, обусловленные характером рабочего движения. Впрочем, об этом сказано давно, 140 лет тому назад, Карлом Марксом: «Если в машине… мы рассмотрим собственно рабочую машину, то мы опять увидим перед собою ремесленный инструмент, только в циклопических размерах».

И сегодня в XXI в. во всём мире долбят и строгают с прерывистой подачей детали. В шлифовальных станках подачу шлифовального круга тоже осуществляют прерывисто, можно сказать, дискретно, с очень малым шагом (сотые доли миллиметра). Дискретность усложняет привод, многократно увеличивает динамические нагрузки: попробуй стронь с места, а потом останови массу 300 кг. В итоге уменьшается производительность и качество обработки. Так почему не строгать (а.с. №384637} и шлифовать (а.с. №626937) с непрерывной подачей детали? Реакция учёных: «Это никому не нужно, а то бы давно строгали непрерывно», — заключил председатель секции «Станкостроение», на которой в ЭН И МСс (Экспериментальном НИИ металлорежущих станков) делал доклад автор четверть века назад. «Почему не нужно?» — не удержался изобретатель. Доктор технических наук ответил: «Потому, что когда стол стоит, точность обработки выше, чем когда он движется». Присутствовавших резюме устроило, но не докладчика. Он не успел напомнить уже начавшим расходиться учёным, что есть станки, работающие с непрерывной подачей. Все о них знают. Это зубострогальные и зубодолбёжные станки, у которых круговая подача заготовки осуществляется непрерывно, а точность обработки выше, чем на зубофрезерных станках. Полуторавсковой опыт зубообрабатывающих станков проходит мимо конструкторов шлифовальных и строгальных станков. Здоровый консерватизм вредит прогрессу.

Реверсивное резание стучится в ворота механического цеха, будит застоявшиеся приёмы труда, требует новых высокопроизводительных станков.
Зададимся вопросом: какие инструменты могут работать в любом направлении движения? И без каких-либо переделок — все с малыми размерами режущих элементов: шлифовальные круги, абразивные бруски, алмазные сверла (рис. 7, в), иглофрезы и щётки, напильники, шаберы.
Традиционные лезвийные инструменты не могут резать в противоположном направлении из-за строгой асимметрии углов лезвия. Реверсивные же лезвийные инструменты могут. У них симметричные зубья. Симметричный зуб, универсальный для всех инструментов, от резца до метчика, имеет треугольную или дугообразную впадину. Она является общей задней поверхностью противолежащих лезвий. Симметричный зуб позволяет конструировать любой реверсивный инструмент; фрезу (патенты РФ №№2261157, 228813) (рис, 8, 9), зенкер (а.с. №1117145), дисковую пилу, ножовочное полотно, метчик… Стандартная плашка для нарезания винтов давно имеет симметричные перья и способна нарезать резьбу в любом направлении вращения. Все инструменты могут быть реверсивными.

Захожу в механический цех автокранового завода, иду в инструментальную кладовую. «Скажи, Люда, — обращаюсь к раздатчице, — если резцы, свёрла, зенкеры, развёртки, фрезы, метчики… будут иметь стойкость в два раза выше, что это даст цеху?» — «Ой, Юрий Михайлович, не может того быть!» — «Допустим, может. Что тогда?» — «Да у меня полки с инструментами переполнятся. Станочники будут приходить в два раза реже. Не работа — удовольствие». — «Тогда бери», — протягиваю ей реверсивные инструменты (рис. 10).

Реверсивное резание — это не только очередной виток в развитии ремёсел, это ещё и философия. Секреты мастеров зиждутся на интуиции, приобретённой за долгие годы совершенствования одной операции. Древний виртуоз, один из сотни профессионалов, мог сверлить тремя, пятью свёрлами одновременно, равно как и прядильщики, работавшие на двух прялках. «Но такие прядильщики-виртуозы, которые могли бы одновременно прясть две нитки, встречались почти так же редко, как двухголовые люди», — писал К. Маркс о ручном прядении, достигшем пика развития накануне промышленной революции XV] 11 в. И древние египтяне, и средневековые мастера владели одинаковыми приёмами наивысшей производительности ремесла. За три тысячи лет утрачивается любой секрет, передаваемый по наследству. Изобретая реверсивное резание, я не думал о приёмах древних египтян, заявку на способ сверления составил на основе накопленных знаний. Выходит, секреты возрождаются интуицией. На что она способна, показывает жизнь. Из воспоминаний ветерана Перво-уральского хром пикового завода В,В. Логинова: «Примерно до 1932 года завод работал исключительно на руде, добытой из отвалов… Из них нужно было выбрать именно хромовую руду и рассортировать по разным кучам, учитывая содержание хрома. Содержание хрома горняк определял по весу: чем тяжелее кусок, тем выше содержание, и наоборот. У людей настолько выработалось чувство веса, что приходилось поражаться. Придёт штейгер, замерит; лаборант возьмёт пробу — все точно! Расхождения случались лишь в нескольких десятых процента, не выше 0,3».

Другой пример. Токарь — растачивает на тяжёлом станке трубы. На полу лежит кучка обгоревших спичек. Токарь не курит. Спички ему нужны для наивысшей точности обработки. «На последнем проходе я уже не вращаю лимб поперечной подачи, а подогреваю спичкой резей. Он немного удлиняется, и я снимаю сотку-другую (миллиметра)». Мастер знает, насколько изменится размер от времени подогрева резца. Навыки развились до высшей степени совершенства, до точности лабораторных приборов. Позднее я нашёл японский патент, в котором показан токарный резец, обвитый спиралью электро подогрева.

«Машины сравняли неравенство талантов и дарований, и гений не рвётся в борьбе против прилежания и аккуратности, — сожалеет Н.С. Лесков в конце повести о Левше. — Работники, конечно, умеют ценить выгоду, доставляемую им практическими приспособлениями механической науки…».

Тайнами ремесла овладевают многие люди, вооружённые современными орудиями труда. Автоматизация и адаптация (приспосабливаемое^) механизмов подменяют и исключают человеческие органы чувств. Например, на токарном станке вытачивают ступенчатые оси диаметром 3-5 микрометров и длиной 2-3 миллиметра. Деталь вращается и удерживается магнитным полем, а зона обработки просматривается в «мелкоскоп». как у Левши.Наша промышленность в упадке. Она уже не производит собственные машины и столь часто прибегает к инновациям из-за рубежа, что невольно думаешь: «А не означает ли «ин» в слове «инновация» «иностранная»?». Все они сводятся к «отвёрточным» технологиям. Привозят из Японии или Германии узлы, комплектующие детали и собирают нашей дешёвой, почти бесплатной рабочей силой автомобили, бытовую технику. Секретов, специальных приёмов труда или особенностей технологий нам не передают, но добивают наши конкурирующие отрасли.Отечественные изобретения у нас не желают принимать.

Проверенное за долгие годы реверсивное резание и реверсивные инструменты, получившие золотые медали на Международных салонах в Брюсселе «Эврика-97» и в Москве «Архимед-2000», не включены в базу «Перспективных изобретений» Роспатента. На фоне мелких иностранных полезных моделей, таких, например, как накладные губки тисков немецкой фирмы «Штенцель», объявившей их в красочном проспекте не просто изобретением, а революцией в практическом деле, грубо униженным предстаёт новое направление в металлообработке. А ведь реверсивное резание в два раза сокращает расход инструментов, повышает технологичность и производительность металл о- и деревообработки.Экономический эффект складывается из двукратной экономии инструментальных металлов: вольфрама, титана, кобальта, молибдена; двукратного сокращения заточных работ, уменьшения трудоемкости технологических операций на 10-15%. Дополнительная экономия ждёт и в невесомости: при реверсивном сверлении не будет реакции отдачи на руки космонавта.В ноябре 2007 г. на выставке-смотре интеллектуальной собственности Восточного административного округа Москвы реверсивные инструменты вызвали большой интерес. В ходе обсуждения выяснилось, что в Москве не осталось инструментальных заводов. Бывший гигант Московский комбинат твердых сплавов ныне принадлежит шведской фирме «Сандвик Коромант». Посоветовали обратиться в инструментальный цех авиационного завода.Но направление продолжает развиваться. Получены патенты на реверсивный метчик (№2002332284), ножовочное полотно (№2002343105). Впереди сотни изобретений по инструментам, станкам и приспособлениям реверсивного резания. Приоритеты останутся за нашей страной. И благодарная природа скажет спасибо за сокращение отходов.

Юрий ЕРМАКОВ,д. т. И., проф.,заслуженный изобретатель РСФСР