Řezný nástroj pro rozpojování uhlí a hornin

První řezné nástroje vytvořila příroda a ve tvaru zubů i čelistí pravěkých zvířat je pak rozvinula do dokonalé formy. Proces rozpojování a rozmělňování potravy se stal pro nasycení, a tedy přežití životně důležitým. Bohužel se stal zároveň i nástrojem zabíjení člověka člověkem.

Cílený rozvoj řezných nástrojů umožňoval člověku stále efektivněji rozpojovat materiály, zejména horniny, a postupně těžit a zpracovávat nerosty ze stále větší hloubky. Přes vynález trhaviny a rozvoj trhací techniky, později valivých dlát, se podařilo zavést a zdokonalit strojní rozpojování hornin pomocí řezných nástrojů.

Zuby jako inspirace

Geometrie zubů zabitých zvířat pravděpodobně člověka inspirovala k výběru špičatých kamenů, a později i k jejich opracování do tvaru hrotů a břitů. Za povšimnutí stojí, že hroty a břity přežily miliony let a dosud je člověk úspěšně používá. Nejde jen o kuchyňské náčiní či břity řezných nástrojů pro rozpojování uhlí a horniny, ale také o střely, čela raket či přídě lodí pronikající vzduchem a vodou. Hroty a břity se využívají v kovoobráběcím, dřevařském, papírenském, kožedělném či potravinářském průmyslu, ve stavebnictví, v zemědělství, ve zdravotnictví, v leteckém a kosmickém průmyslu, ale také při výrobě zbraní a munice.

Když se podíváme na „špičák“ nebo „řezák“, vidíme, že jejich tvar umožňuje přenos velké síly a potřebného napětí. Je to dáno postupným zmenšováním průřezu řezného nástroje a růstem napětí do hrotu či břitu. Napětí je přeměněno ve formě kontaktního napětí do rozpojovaného materiálu. Kontaktní plocha zahrocené části řezného nástroje je obvykle menší než kontaktní plocha břitu, proto i kontaktní napětí vyvolané hrotem je vyšší. Lze jím proto řezat i hůře rozpojitelné materiály. Protože jde o aplikaci zákona akce a reakce, má kontaktní napětí stejnou úroveň jak v rozpojovaném materiálu, tak v zubu. Při interakci musí být vyvolána dostatečná síla, a tím i napětí na hrotu či břitu, aby byl porušen rozpojovaný materiál, ale zároveň nesmí být porušen hrot ani břit řezného nástroje. Tuto skutečnost zajistila příroda řadou důmyslných opatření (obrázek 1).

Konstrukční prvky

Zub je tvořen tvrdými a měkkými tkáněmi. K tvrdým tkáním patří vysoce odolná zubovina (dentin) a sklovina. Zubovina, která má menší modul elasticity než sklovina, slouží k zachycení a vstřebání tlaků do čelisti (čelist funguje jako měch). Sklovina, tkáň s vysokým modulem elasticity a vysokou tvrdostí (s malou pevností v tahu a malou odolností proti dynamicky působícím silám), tvoří nejsvrchnější vrstvu zubu. Tvrdost skloviny ve směru k povrchové vrstvě roste. Hranice mezi sklovinou a zubovinou je vlnitá, což umožňuje kvalitní propojení obou tkání. Měkké tkáně jsou protkány sítí vyživovacích cév a kapilár a vysoce důmyslným složitým nervovým systémem. Zub je v čelistní kosti pevně zakotven. Nervový systém s četnými čidly a propojením na centrální nervový systém reguluje procesy zatěžování zubů a podává informace i o stupni jejich opotřebení. U některých živočišných druhů (u hlodavců a zajíců) poskytl také informace pro dorůstání zubů do původní délky. Nelze opomenout ani konstrukční řešení zubu zmije s kanálkem pro výstřik jedu. Z uvedeného stručného výčtu některých funkcí zubů je zřejmé, že příroda dlouhodobým vývojem dospěla k velmi dokonalým řezným nástrojům.

Řadu konstrukčních prvků vyvinutých přírodou člověk využil k zdokonalení řezných nástrojů. U řezných nástrojů pro rozpojování hornin se uplatnil tvar dláta a hrotu (obrázek 2) a dva zcela odlišné materiály: slinuté karbidy wolframu (s vysokou pevností v tahu), materiály odolávající dynamickým silám, z nichž jsou připravovány břity či kuželové hroty, a kvalitní ocel, z níž jsou vyráběna tělesa řezných nástrojů a nožového držáku. Má-li nůž s hrotem tvar rotačního tělesa, může se samovolně pootáčet kolem své osy. Oba uvedené materiály jsou k sobě připojeny „pájkou“ (slitinou mědi, stříbra a dalších kovů).

Vývoj nástrojů

Ve vývoji jsou břity z polykrystalických diamantů a keramických materiálů s vysokou odolností a otěruvzdorností. Navíc bylo při vývoji řezných nástrojů využito samovolné pootáčení řezného nástroje a ve výzkumu je využití vysokorychlostního vodního paprsku generovaného přes řezný nástroj. Řezné nástroje nebyly doposud vybaveny systémem čidel pro sledování jejich funkce v interaktivním procesu.

Další zdokonalení řezných nástrojů probíhá v mnoha odvětvích průmyslu, která si zkušenosti sdělují navzájem a využívají je. Proces interakce řezného nástroje s materiálem, a to i s horninou, se stal oborem poskytujícím prostor pro hluboké teoretické analýzy, pro aplikace nejnovějších a nejmodernějších vědeckých postupů fyziků, matematiků, odborníků z oblasti strojírenství a montánních věd, výzkumu vesmíru, ale i z oblasti medicíny a dalších návazných oborů.

Jde o interdisciplinární problém, který zahrnuje nejen dynamické a rychlostní působení sil, ale i tepelné namáhání, účinné chlazení, modelování procesu interakce vícesložkové soustavy v prostoru, materiálové inženýrství, aplikaci nových fyzikálních principů, nové technologie výroby. Rozpojování hornin, jímž dnes začíná například značná část inženýrské povrchové i podpovrchové činnosti v zemské kůře (stavby železničních a silničních tunelů, městských podzemních drah, kolektorů všeho druhu, podzemních zásobníků, elektrárenských kapacit, čisticích stanic, ale i skladišť jaderného odpadu), bude pravděpodobně velmi užitečné i v budoucnu, při realizaci povrchových i podpovrchových staveb v horninových vrstvách jiných planet této sluneční soustavy i vesmíru. Řezný nástroj a řezné systémy se svou historií mohou sehrát významnou úlohu v širokém spektru budoucí lidské činnosti. Historie vývoje řezného nástroje zůstává i nadále nevyčerpatelným zdrojem inspirací při hledání cest dalšího rozvoje procesu rozpojování materiálů.

Řezné nástroje nové generace

Řezné nástroje nové generace pro rozpojování uhlí a hornin (obrázek 3) mohou být vybaveny vícevrstvými břity, čidly pro sledování teploty a stavu opotřebení, pro identifikaci umístění na rozpojovacím orgánu stroje, pro řízení jejich posunu v závislosti na otupení břitu, pro řízení procesu chlazení břitů vodními spreji a vysokotlakými vodními paprsky. Uvedené prvky mohou přispět k snížení negativních účinků vyvolávajících otupení řezných nástrojů (růst teploty, vibrací), k prodloužení jejich životnosti, k zvýšení výkonnosti a hospodárnosti, k snížení prašnosti, k zvýšení kultury a hygieny práce při rozpojování uhlí a hornin.