НА ГЛАВНУЮ

Имитация ручной резьбы на станках с ЧПУ. Преимущества и недостатки

 

Черных М. М. д-р техн. наук, проф.; Троянов А. В., аспирант

Ижевский государственный технический университет

 

В статье рассмотрены различные техники художественной резьбы по дереву. Исследованы способы имитации ручной резьбы по дереву на станках с ЧПУ. Предложена технология, совмещающая  преимущества ручной и станочной обработок.

 

Художественная резьба по дереву в русском народном творчестве издавна – самый развитый и наиболее древний вид народного декоративного искусства. Развитию резьбы по дереву способствовали простота обработки и доступность материала, наличие умелых мастеров и богатые традиции. Плотники и столяры со всех губерний Руси строили хоромы и терема, ставили ендовы и скобари для кваса и медовых напитков, делали и красивую бытовую утварь, например, плоские и широкие корыта для теста — дежи. На ярком солнце блистала расписанная киноварью и золотом рельефная резьба наличников и крылец. В XVII — XVIII вв. искусство художественной резьбы по дереву получило развитие в оформлении иконостасов, дворцовых интерьеров, в мебели, где преобладала объемная, горельефная, накладная и прорезная резьба [1].

Исконно русские традиции резьбы по дереву не теряют своей актуальности. И сейчас популярны ремесла, связанные с обработкой дерева. Но помимо ручной художественной обработки древесины все шире применяется обработка на станках с числовым программным управлением. Станки с ЧПУ по подготовленной управляющей программе позволяют точно и качественно изготовить сложнейшие орнаменты различных стилевых направлений, сводят к минимуму возможность брака, быстро окупаются. Но главное – работают с высочайшей производительностью, оставляя ручной труд  по срокам изготовления изделия далеко позади себя. Но стоит ли отказываться от ручной резьбы в таком случае? Или рассматривать ее на сугубо любительском уровне с целью сохранения народных традиций? Или в качестве способа получения только дорогой эксклюзивной продукции? Ответим на эти вопросы, рассматривая основные традиционные техники ручной резьбы, как исконно-русский, установившейся столетиями образец народного декоративного искусства и возможности их имитации на станках с ЧПУ.

Одной из наиболее широко распространенных техник русской народной резьбы является контурная резьба. Контуром в виде двухгранной или полукруглой выемки режут всевозможные прожилки, сетки, детали крупных элементов композиций. Отсутствие рельефа в контурной резьбе не снижает ее художественной выразительности. Контурная резьба, несмотря на простоту рисунка, требует навыков свободного владения резчицким инструментом, аккуратности и внимания. Для станка с ЧПУ данный вид резьбы открывает просто невероятные возможности по простоте проектирования изделия, по качеству его исполнения и по высокому уровню имитации ручной работы. Работа дизайнера сводится к простому проектированию рисунка в программах векторной графики. Программа обработки составляется быстро, учитывая минимально необходимое количество проходов в зависимости от породы обрабатываемой древесины (обычно 1-2).  К тому же многие твердые породы древесины, такие как бук, дуб, очень сложно обрабатываются в ручную. Готовое изделие на станке фрезеруется в десятки раз быстрее, чем его вырежет мастер. Необходимо лишь правильно задавать параметры обработки - скорость перемещения шпинделя, скорость и глубину врезания за один технологический цикл. Чтобы сымитировать резьбу ножом-косячком, которая обычно выполняется в два прохода – надрезание и подрезание, необходимо установить в шпиндельный узел станка конусную фрезу. Для имитации резьбы линий полукруглыми стамесками применяют фасонные фрезы различных профилей, например двухрадиусные. Изделия в технике контурной резьбы, выполненные на координатно-фрезерном станке с ЧПУ «Камея», представлены на рисунке 1.

С давних времен в украшении деревянных домов применялась прорезная (или сквозная) резьба. При этом способе резьбы удаляется фон. В сочетании с рельефной или геометрической резьбой создается впечатление воздушности и легкости изделия. Техника прорезной резьбы довольно проста. Необходимо вставить полотно пилы в заготовку для сквозного пропила по подготовленному рисунку. Для этого первоначально высверливают отверстия по внутреннему контуру. После пропиливания заготовку очищают шкуркой или стамеской [3].

 

                 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1. Изделия, выполненные в технике контурной резьбы на станке с ЧПУ

 

Сквозная прорезка на станках с ЧПУ применяется довольно часто. Обычно, чтобы прорезать заготовку нужной толщины, делают несколько технологических проходов в зависимости от формы фрезы, ее диаметра и свойств обрабатываемой древесины. Например, такой материал как МДФ обрабатывается очень легко, его можно фрезеровать на всю высоту фрезы за один проход. Изделия с прорезной резьбой, полученные на станках с ЧПУ, пользуются большим спросом благодаря высокой точности и качеству обработки, например, в изготовлении паркета. Но есть и недостатки. Во-первых, место пропила часто подгорает из-за высокоскоростного фрезерования материала (до 25 тыс. об./мин.). Во-вторых, фреза не может обработать острые схождения линий рисунка, оставляя в них скругления, равные ее радиусу. Но, так или иначе, сквозная прорезка выполняется очень часто на оборудовании с ЧПУ в художественных целях как операция точного раскроя. А изделия, изготовленные на станках с ЧПУ в технике прорезной резьбы, выгодно отличаются по качеству реза в сравнении с ручным пропиливанием (рис. 3).

 

Рис. 3. Орнамент, изготовленный на станке с ЧПУ в

технике прорезной резьбы

 

В плоскорельефной резьбе изображение находится на одной плоскости, а рельеф резьбы, различный по рисунку и композиции выявляется путем выбирания фона вокруг какого-либо элемента резьбы или орнамента [3]. Данная операция довольно трудоемко выполняется резчиками и быстро с отличным качеством – на станках с ЧПУ. Плоскорельефная резьба – наиболее распространенная техника при станочной обработке, т.к. выборка фона всегда придает резному рисунку яркий, художественный вид.

При проектировании рисунка дизайнер работает в нескольких слоях программы (CorelDraw, Adobe Illustrator, Rhinoceros и др.) В каждом слое лежат линии - траектории движения используемой фрезы, слои отличаются цветом и названием. Для выбора фона применяют цилиндрические фрезы, поэтому заполнение области понижения орнамента строится линиями-эквидистантами.

Плоскорельефная резьба имеет несколько разновидностей по технике выполнения: с заоваленным контуром, с подобранным и подушечным. Имитация данных техник решается просто при использовании фрез разного профиля и правильного расчета глубины их врезания. Филенка дверцы шкафа из красного дерева, выполненная на станке с ЧПУ в технике плоскорельефной резьбы показана на рисунке 4.

 

Рис. 4. Изделие, выполненное на станке с ЧПУ в технике плоскорельефной резьбы

 

Наиболее простой по технике выполнения является геометрическая резьба. Основные элементы данного вида резьбы – это двухгранные, трехгранные, четырехгранные и криволинейные выемки разной  конфигурации, глубины и ширины. Различные узоры получают путем повторения прямых и криволинейных выемок, заключенных в какие-либо геометрические фигуры (круг, квадрат) (Рис. 5). Относительная простота геометрической резьбы, ее декоративность, небольшой набор инструментов, необходимый для ее выполнения, сделали этот вид резьбы очень популярным [4].

 

Рис. 5. Разделочная доска, украшенная геометрической резьбой

 

Попытка фрезерования же геометрических орнаментов на станках с ЧПУ сложно осуществима по трем причинам. Во - первых, управляющая программа будет содержать множество подпрограмм для каждой клинорезной выемки, которых может быть несколько сотен и более. Концевая конусная фреза в этих местах должна перемещаться одновременно по трем координатам (x, y, z), выходя каждый раз из вершины многогранника. Для сложных рисунков составление программы потребует много времени. А сама обработка может стать менее производительной или приближена к ручной работе, так как при хорошей сноровке данный вид резьбы требует минимальных трудозатрат резчика. Во-вторых, в любом случае фреза дает люфт при вращении и идеальную вершину в углублении с ровными ребрами получить невозможно, а это важное требование, предъявляемое к геометрической резьбе. И главное – на мягких породах древесины, на которых обычно и режут, после фрезерования будет оставаться много ворса, который нужно будет удалять. Одним словом, даже отдаленная имитация геометрической резьбы на станках с ЧПУ сложно достижима. А, учитывая требования, предъявляемые к ней, – чистоту среза и идентичность всех граней - можно сказать, что невозможна.

Возникает вопрос, можно ли тогда сымитировать на станке с ЧПУ рельефную резьбу или самую сложную по технике – скульптурную? На сегодняшний день для трехкоординатных станков – этот вопрос решается достаточно просто. Но работа чаще ведется уже с использованием CAM-систем, которые позволяют написать управляющую программу станка по готовой трехмерной модели изделия – прототипа (ArtCAM, SprutCAM и др.), а не по двумерному векторному рисунку. Сложную трехмерную модель изделия нерегулярной формы лучше  проектировать в специальных программах 3D-графики (Rhinoceros, 3DMax и др.). Сложные рельефы изделия легко можно смоделировать даже по растровому изображению, используя пакет ArtCAM. Сегодня все большее применение для быстрого получения  3D-моделей находят лазерные 3D-сканеры.

Изготовление изделия по программе, рассчитанной по поверхности трехмерной модели в САМ - системе, всегда длится долго. Сначала цилиндрической фрезой выполняют черновую обработку, снимая лишний слой материала с заготовки.  Потом концевой острозаточенной фрезой (ее построчным перемещением с шагом до 1 мм)  ведется чистовая обработка. Другой недостаток заключается в невозможности обработки на трехкоординатных станках с ЧПУ «мертвых» зон, где перемещение инструмента невозможно. Современные пятикоординатные станки с ЧПУ зарубежных производителей позволяют обрабатывать заготовки за счет большего числа степеней свободы шпинделя или подвижности рабочего стола, но цена этих станков на порядок выше отечественных.

Глухая рельефная резьба подразделяется на два вида. Первый – барельефная, при которой рельеф не значительно поднимается над плоскостью фона. На рисунке 6 показаны, работы, выполненные в этой технике на станке с ЧПУ.

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 6. Примеры барельефной резьбы, выполненный на станках с ЧПУ.

 

Второй вид – это горельефная резьба, когда фон достаточно глубоко притоплен относительно резного рельефа (рис. 7).  Хочется обратить внимание на работу «Ящерица» (см. рис. 7). Равномерно нанесенная на всей поверхности модели трехмерная текстура чешуи после обработки изделия дает прекрасный эффект схожести изделия с живым пресмыкающимся. Резчику по дереву очень сложно добиться такого качества передачи  текстурированной поверхности.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 7. Примеры горельефной резьбы, выполненный на станках с ЧПУ

 

Самой сложной с точки зрения выполнения резных работ, является скульптурная резьба по дереву. Изделие, выполненное в этой технике, представляет собой, художественно обработанную со всех сторон объёмную фигуру, полностью оторванную от фона. Готовая скульптура просматривается со всех сторон. Скульптурная резьба сложна по технике выполнения. От резчика требуется большой опыт, художественное чутьё, набор различных инструментов [4].

Станок с ЧПУ, как уже отмечалось, выполняет скульптуру по трехмерной модели изделия прототипа.  Однако трехкоординатный станок не может обработать заготовку со всех сторон, поэтому, приходится изделие склеивать, например, из 2-ух половинок (рис. 8, а). Последующая ручная доводка позволяет доработать изделие (рис. 8, б).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                          а)                                                               б)

 

Рис. 8. Скульптурное изделие «Мамонт»: (а – после обработки на станке с ЧПУ, б – после ручной доработки, габариты изделия 130 × 100 × 60 мм)

 

Обобщая выше изложенное, отметим, что почти все техники ручной резьбы поддаются имитации на деревообрабатывающих станках с ЧПУ. В большей степени это касается контурной резьбы, как наиболее простой из всех техник. Сложнее сымитировать скульптурную и горельефную резьбу, т.к. поверхность изделия после построчного фрезерования имеет нехарактерные для ручной работы мелкие неровности. Практически невозможно сымитировать изделие в технике геометрической резьбы из-за технологических отличий процессов фрезерования и резания. Но, так или иначе, основное преимущество применения станочной обработки – высокая производительность при высоком качестве. А основное преимущество ручной резьбы – это эксклюзивность.

Изделия созданные в ручную из дерева выражают духовный смысл, Изделия же, изготовленные на станке с ЧПУ практически идентичны между собой.

Есть все основания считать, что совмещение двух способов обработки – ручной и станочной,  может объединить высокую эксклюзивность, производительность и качество обработки. Замечено, что даже при 5-10% ручной доработке изделия, выполненного на станке с ЧПУ, может сымитировать ручную резьбу и соответственно повысить эксклюзивность изделия. Станочная обработка позволяет быстро выполнить наиболее сложную и рутинную работу, а ручная доводка – придать изделию оригинальный вид.

Проблема совмещения ручной и станочной обработки требует детального изучения и всестороннего сравнения технологий с учетом экономики, производства, эстетики изделий  и психологии потребителя. Применительно к изделию «Мамонт» (см. рис. 8) при определенной серийности производства, нами получено, что себестоимость изделия, изготовленного по технологии, совмещающей станочную и ручную обработку -  наименьшая в сравнении с раздельными технологиями, т.е. как с ручной, так и с обработкой на станке с ЧПУ.

Не случайно некоторые деревообрабатывающие предприятия, изготовляющие эксклюзивную продукцию, начинают переходить на совмещение станочной ЧПУ - обработки с ручной доработкой. Такой подход дает хорошие результаты не только в товарах-сувенирах, но и в оформлении интерьеров, изготовлении лестниц, мебели, дверей и пр.

 

 

 

 

Список литературы:

 

1. Черепахина А. Н. История художественной обработки изделий из древесины. М.: Просвещение, 1982.

2. Зимин Ю. А. Художественная обработка металлов: состояние и перспективы / Дизайн и технология художественной обработки материалов. Межвузовский сб. научн. – метод. трудов. Вып. 14. – М.: МГУПИ, 2006. с. 16-19.

3. Дымковский И. П. Художественная резьба и мозаика по дереву. – Минск.: 1999.

4. Круковер В. И. Резьба по дереву. – М.:  ООО «Этрол», ООО «ИКТЦ «ЛАДА», 2004.

 

Tchernyh M.M., Troyanov A.V.

It is the imitation of hand carving on CNC–machine-tools.  Merits and demerits.

Different technologies of Art carving were considered in this article. Ways of hand carving imitation on CNC-machine – tools were examined. The technology combinating advantages of hand and machine – tools processing was offered.

 

НА ГЛАВНУЮ