Эволюция пил: от кремневых лезвий к заводским ручным инструментам

Общие сведения

Пила — ручной инструмент с зубчатым лезвием для разрезания твёрдых материалов (дерево, кость). Один из древнейших инструментов; базовые принципы, заложенные в палеолите, до сих пор лежат в основе серийных моделей.

Первые кремневые пилы датируются 60–10 тыс. лет до н.э. Тогда же делали каменные пилы и композитные из микролитов (каменных пластинок), вставленных в костяные рукояти. Открытие меди ~4000 лет назад дало первые металлические лезвия.

В железном веке слабые медь и бронзу вытеснили зубья с наклоном (raked teeth). Увеличение числа зубьев повысило режущую способность. Маленькие пилы адаптировали под столярное дело; азиатский стиль пилы-натяга (pull-saw), использовавшийся древними египтянами, зафиксирован в иероглифах, описывающих мебельное дело. Конструктивные уточнения — зубья с промежутками, работающие как грабли после хода — удаляли опилки из формирующегося кера (пилы).

Металлургические достижения улучшали пилы. Мраморная пила Леонардо да Винчи (XV в.) и поздние европейские разработки использовали улучшенную сталь для заточки. В XVII веке самые узкие лезвия оставались самыми прочными. Луковая пила (bow saw), названная за сходство с луком, оставалась популярной из-за этого ограничения. В ранней Америке деревянные рамы пила были широко распространены из-за дефицита металла и отсутствия широкого прокатного листа.

Промышленная революция дала более прочные и долговечные пилы. Разные круговые пилы появились в начале XVIII века; первый американский патент (1814) получил Бенджамин Каммингс. Сегодня широкий ассортимент ручных и электропил обслуживает потребительский и коммерческий рынки.

Сырьё

Основной материал лезвий — закалёная высококачественная инструментальная сталь со специальными легирующими добавками. Рукояти исторически делали из дерева, современное производство также использует литой пластик.

Конструкция

Три основные категории ручных пил: металлопилка (hacksaw), лобзик (bucksaw) и классическая поперечно- или продольно-режущая пила (cross-cut / ripsaw). Поперечная режет через волокна, продольная — вдоль. Геометрия зубьев вариативна. Слишком крутой угол зацепляет дерево, слишком мелкий — не режет. Зубья поперечной пилы более тупые, чисто срезая волокна без скола; зубья продольной, перпендикулярные лезвию, работают как микро-добаки.

Оптимальный угол зубьев для твёрдых пород 60°, для мягких ~45°. Сухое и сырое дерево требуют разных профилей. Крупнозубые пилы (~5 зубьев на дюйм / 2 на см) для сырого или мягкого дерева; мелкозубые (≥8 зубьев на дюйм) для чистых срезов в сухом твёрдом дереве — мебель, сложные соединения (ласточкин хвост).

Специальная вольфрамолигированная сталь прокатывают в полосы; толщина полосы определяет толщину лезвия и измеряется прецизионными штангенами. Полосу штампуют в конусную форму, сужающуюся к концу. Качественные пилы имеют «корону» — изогнутое режущее ребро, уменьшающее число зубьев, одновременно контактирующих с деревом. Дешёвые пилы однотолщинные.

Лезвие проходит серию точных операций: поперечные пилы скосово затачивают; тыл лезвия шлифуют тоньше зубчатого ребра для снижения трения (taper-ground).

Разводка зубьев критична. Зубья измеряют стальным шаблоном, оценивающим три зубья одновременно, затем подрезают и гнут попеременно. Избыточный угол ухудшает резание.

Закалка — вековые молоточки, создающие напряжение в лезвии для оптимального баланса жёсткости и гибкости. Профессиональные металлопилки закаляют целиком; бытовые — только зубья.

Наносят антикоррозийное покрытие, после чего крепят литую рукоять.

Процесс производства

1. Полоса вольфрамолигированной стали прокатывают до нужной толщины, контролируемой прецизионными штангенами.
2. Полоса штампуется в конусную форму ручной пилы; лезвия с короной предпочтительнее.
3. Лезвия шлифуют и скосово затачивают по типу; тыл конусно шлифуют для низкого трения.
4. Зубья разводят и измеряют стальным шаблоном; чередующиеся подрезки задают правильный угол.
5. Лезвие закаляют молотьбой для натянутого баланса жёсткости и гибкости.
6. Наносят антикоррозийное покрытие.
7. Рукояти (обычно литые) крепят к закалённому лезвию.

Контроль качества

Американские национальные стандарты регулируют разводку, безопасность и оптимальную производительность. Металлопилки с 24–32 зубьями на дюйм (10–13 на см) должны иметь волнистую разводку; остальные типы — «ракер-сет» (каждый третий зубь не разводится). Легирующие добавки в стандартной стали не превышают 1,25 %. Высокоскоростные стали для промышленных пил должны выдерживать до 537,8 °C (1000 °F).

Будущее

CAD ведёт эргономические уточнения, снижающие нагрузку от повторяющихся движений (Cumulative Trauma Disorders). Исследования фокусируются на распределении силы на большую площадь, минимизации корректирующих движений и улучшении рукояти для устранения неудобных поз рук. Прототипы оценивают волонтёры и профи.

Передовое производство — CAM, CIM, ЧПУ — сокращает отходы и повышает эффективность. Метод конечных элементов перепроектировал круговые пилы лесопилений. Корпорация Saw Paw (Пенсильвания) патентовала перерабатываемое цельное карбидное лезвие с шанком, удлиняющее ресурс и снижающее долгосрочные затраты.