CC BY
102
УДК 64-8
АНАЛИЗ УГЛОВ РЕЗАНИЯ БЫТОВЫХ НОЖЕВЫХ
ИНСТРУМЕНТОВ
Л.А. Оборин1
Санкт-Петербургский государственный университет сервиса и экономики (СПбГУСЭ),
191015, Санкт-Петербург, ул. Кавалергардская, 7
Рассмотрены конструкции бытовых ножевых инструментов и условия их применения при резании. Определены факторы, сочетание которых обеспечивает наибольшую эффективность процесса в различных условиях.
Ключевые слова: заточка бытовых инструментов; угол резания; угол заострения; усилие внедрения;
Говоря о бытовой технике, следует помнить, что одним из первых инструментов или орудий труда для человека во все времена являлся нож. С давних времен человечество совершенствовало его конструкцию, приспосабливая для своих специфических нужд, а иногда (к сожалению) превращая в оружие.
Различные лезвийные и ножевые инструменты широко используются во всех отраслях, представляя собой лишь отдаленное сходство с нашим повседневным кухонным ножом. В деле совершенствования лезвийных инструментов особенно продвинулась металлообрабатывающая промышленность. Идет постоянная борьба за увеличение производительности и качества обработки, а вместе с этим, за улучшение работоспособности инструмента. Повышают прочность, износостойкость, остроту и другие его характеристики.
Однако, как повелось не только в Советском государстве, но и за рубежом, бытовым инструментам придавали мало значимости, всячески поднимая промышленность. По примеру иностранцев в современной России бытовым лезвийным инструментом часто занимаются люди, не имеющие специального образования, но считающие это простым делом и способом быстрого обогащения. Износ бытового инструмента не велик, а сравнительно небольшая его цена не приводят к высокой конкуренции производителей. Соответственно, мало проводятся специальные исследования, а часто, даже не привлекаются грамотные специалисты.
Поэтому в домашних условиях многим приходится пользоваться быстро затупляющимися ножами, которые не затачивают, а выбрасывают. Это показалось настолько выгодно производителям, что они стали выпускать хозяйственные ножи с лезвиями, затупившуюся часть которых обламывают по специальным канавкам, благодаря чему лезвие обновляется до сомнительной остроты. Для многолезвийных инструментов также предлагается их замена вместо заточки. В связи с этим заточка бытовых инструментов не выгодна частным предпринимателям, и число заточных мастерских не растёт.
Сравнительно небольшое количество фирм исследуют вопросы рационального заострения лезвийных инструментов, покольку это может снизить энергозатраты на резание, например, в электробритвах, мясорубках, измельчителях и т.п.
Исходя из вышеизложенного, на кафедре «Сервис торгового оборудования и бытовой техники» СПбГУСЭ приходится заниматься вопросами совершенствования углов резания и конструкций бытовых ножевых инструментов. Поэтому рассмотрим некоторые исторические аспекты теории резания.
Общеизвестно, что угловые параметры режущих инструментов оказывают влияние на усилия резания и качество обработки. В металлообработке значения углов резания рассматривают (рис.1) в различных плоскостях:
- в плоскости К-К нормальной
режущей кромке резца, которой пользуются при изготовлении и заточке лезвий.
- в плоскости D-D, нормальной к поверхности обработки и совпадающей с вектором относительной скорости движения данной точки резца;
о.» ^ / / fe 1 - ti А/С ^ V
/V - Г / \ fry *
L —1 -Z^Zг
Рисунок 1 - Пример измерения углов резания и заострения резца в разных плоскостях
Рассматривая углы резания в плоскости движения резца, ученые давно заметили, что уменьшение усилия резания в этом случае происходит в результате «кинематического заострения резца». Как видно из рис.1, углы заострения Z/?D и резания А8В в плоскости движения Б приобретают наименьшие значения.
Ещё в 1933 году проф. С.Ф. Глебов писал по этому поводу: «Уменьшение действительного угла резания путем наклона лезвия к направлению движения всем известно из обыденной жизни. Когда мы, например, режем хлеб обыкновенным ножом, мы никогда не ведем нож перпендикулярно его лезвию, но всегда двигаем его наподобие пилы - вперед или назад. В результате чего направление движения ножа составляет с направлением лезвия ножа очень маленький угол, близкий к нулю. Эго приводит к уменьшению угла резания, и мы как бы режем ножом, значительно более острым, чем обычное заострение клинка». [1]
Указанное уменьшение угла резания особенно важно ввиду того, что оно дает все выгоды уменьшения давления
вследствие меньшего угла резания при сохранении угла заострения, благодаря чему, уменьшая давление, мы не теряем ни в стойкости резца, ни в способности его отводить теплоту.
Указанное обстоятельство наглядно видно из рис.2.
к
Рисунок 2 - Сечения клинка ножа
нормальной плоскостью N и плоскостью В
Позднее, в 1945 году проф. А.М. Розенберг [2] установил зависимость этих углов с усадкой стружки при обработке металлов и других материалов.
Параллельно с ним проф. А.Э. Грубе [3] изучал подобные вопросы для обработки древесных материалов и опубликовал их в 1949 году.
Дальнейшие исследования в значительной мере развили сделанные открытия и обеспечили развитие и совершенствование лезвийных инструментов.
Рассмотрим простой пример расчета влияния динамических углов резания на силовые затраты. Предположим, что мы будем внедрять нож только давлением Q в направлении, нормальном к его лезвию (рис.3,а).
Из схемы действия сил ( рис.3) видно, что необходимое усилие резания может быть определено из следующего выражения:
О =Мр + 2#[8т5дг + ц совб^дг],
(1)
где: Np - давление со стороны лезвия на материал в связи с реальной его остротой, определяемой шириной контактной площадки лезвия; N - нормальные давления со стороны граней клинка на материал; Т7 - силы трения, равные N р.; 6_дг -угол резания, измеряемый в нормальной
плоскости; 6 уу = Ц, где (3 - угол заострения клинка.
Рисунок 3 - Анализ действия сил со стороны ножа на материал: а и б - при
внедрении в направлении, нормальном к режущей кромке; в - при движении клинка в направлении, нормальном к режущей кромке VN и вдоль её VS
В процессе резания нож, вследствие наличия контактной площадки на лезвии, характеризуемой предельной остротой, сминает встреченный им материал. Продвижению ножа препятствуют силы трения F, которые способствуют распространению общей деформации материала в боковом направлении. Разрушение материала произойдет, когда напряженное состояние превзойдет предел прочности. В связи с этим для облегчения процесса разрушения материала целесообразным является уменьшение силы трения, в частности ее вертикальной составляющей, действующей в направлении перерезания. Последнее обстоятельство обеспечивается продольным протяжением ножа.
Из рис. 3 в видно, что усилие внедрения клина при его протягивании можно определить выражением:
О = Np + 2 iVj+2 Fy = Np + 2N sin8^ +
+2 N /л sin ф cos 5d =Np + +2jV[sin8^ + ц sincp cos<5d] (2)
Сравним выражение (2) с ранее выведенным для случая резания (1) ножом, когда он движется только в направлении, нормальном к режущему лезвию. Из схемы (рис.3,в) и полученных выражений видно, что общее значение усилия внедрения клина в вертикальном направлении уменьшается за счет уменьшения второго члена, заключенного в скобки. Это доказывает, что составляющая усилия внедрения ножа при продольной протяжке уменьшается в связи с уменьшением вертикальной составляющей силы трения.
Подобные расчеты различной сложности осуществляют для определения необходимых параметров многих лезвийных инструментов. Например, на рис.4 представлены сетка и нож электробритвы, энергоемкость которых уменьшена на 10...15 путем подбора углов резания.
Рисунок 4 - Сетка и нож электробритвы с рациональными углами резания
Рассмотрим также способ заточки лезвий со впадинами по толщине полотна. Этот старинный фигурный способ заточки в народе называли "фистоном" (рис.5). Здесь в отличие от пилы режущая кромка сохранялась прямой.
При резании такими лезвиями появляется дополнительное поперечное давление на материал обработки и, кроме того, угол заострения непрерывно меняется в процессе резания. Это существенно улучшает процесс резания.
Подобным способом затачивали и "самурайские мечи" в Японии (рис.6)
Рисунок 6 - Заточка лезвия "самурайского меча"
Заточка "фистоном" сейчас часто применяется для ножей прямых (рис. 7) (кухонных) и дисковых (для слайсеров, ломтерезок, хлеборезок и т.п.).
Оригинальный результат получили заточники Бразильской фирмы Tra-montina, достигая ребристой боковой поверхности лезвий путем штриховой черновой заточки (рис.7).
Рисунок7 - Заточка ножа фирмы Tramontina
Таким образом, эффективность процесса резания зависит не только от значений углов заточки (заострения) лезвий режущего инструмента, но и от динамики резания, т.е. скорости движения резцов.
Приведенные здесь примеры показывают, что в каждом конкретном случае оптимальные условия могут быть обеспечены различными сочетаниями обоих названных параметров.
Литература
1. Глебов С. Ф., Теория наивыгоднейшего резания металлов. -М: Госмашиздат, 1933, стр. 75...76.
2. Розенберг A.M., Динамика фрезерования, -М: Советская наука, 1945, стр. 46...55.
3. Грубе А.Э. Станки и инструменты по деревообработке. Том 2: Режущие инструменты по механической обработке древесины. -М-Л: Гослес-бумиздат, 1949г., -700с.
1 Оборин Лев Александрович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Сервис торгового оборудования и бытовой техники», тел.:(812) 3624289
