4.3.2 Этапы и мотивы модификации токарных станков и его основных узлов

ВОЗНИКНОВЕНИЕ И РАЗВИТИЕ ЛУЧКОВОГО ТОКАРНОГО СТАНКА

Токарный станок в простейшем виде был известен уже древним на­родам. До нас дошло некоторое количество деревянных точеных украше­ний и ножек саркофагов, изготовленных древними греками, однако опре­деленных данных о конструкции их токарных станков не имеется.

В 1949 г. Б. А. Куфтип при раскопках Авневского кургана в Юго-Осетинской автономной области Грузинской ССР обнаружил бронзовый токарный резец, датируемый началом II тысячелетия до н. э. Резец имеет режущие кромки по обоим концам стержня, причем их геометрические формы различны. Находка была исследована проф. Ф. Н. Тавадзе, ко­торый установил, что резец мог быть применен для обработки древесины, а также золота и серебра. Материал резца имеет твердость по Бринелю 120 кг/мм², что почти в три раза превышает твердость серебра и золота.

Известен каменный рельеф, относящийся к эллинистической эпохе Египта (около 300 лет до н. э.), на котором можно впервые увидеть устройство, напоминающее токар­ный станок. Он имел две стойки с центрами, между которыми находи­лась обрабатываемая деталь. Ее закрепление осуществлялось связыва­нием концов стоек, далеко выступавших за линию центров. На обрабаты­ваемую деталь набрасывался шнурок, перетягиванием которого обеспечи­валось вращение. Один человек вращал деталь, а другой подставлял ре­зец и снимал слой материала.

Древние авторы неоднократно упоминают о токарном станке. Витрувий, написавший сочинение «Об архитектуре>> приблизительно в 13—16 гг. до н. э., упоминает о роликах (явившихся частями осадной машины), выточенных на токарном станке, а также о других точеных деталях. В том же сочинении Витрувия содержатся и другие упоминания о токарном станке. Важно заметить, что сам Витрувий считал токарный станок устройством общеизвестным, а потому даже не требующим специального описания.

Первое сведение о гайке, выточенной на токарном станке, относится к 362 г н.э.

Изготовление токарных изделий из древесины, рога, кости и алебастра у римлян было поставлено настолько широко, что там возник специальный термин для обозначения токарного станка — Tornus, и токаря — Tornator. Эти термины перешли затем в романские языки.

На протяжении тысячелетий токарный станок являлся универсальным устройством для формообразования изделий и получения круглых отверстий в тех случаях, когда желательна или необходима была их правильная форма, т.е. цилиндрическая. Последняя могла быть обеспечена только при вращательном движении изделия или инструмента.

Материальная культура славян эпохи до X в. недостаточно исследована. Но начиная с X в. н.э. их токарные изделия обнаружены археологами. Так, вблизи Чернигова при раскопках так называемой Черной Мо­гилы, датируемой X в., обнаружены шашки, выточенные из кости на то­карном станке. Деревянные токарные изделия того времени, как менее стойкие по сравнению с костью, не сохранились.

Примерно к этому же времени относятся обнаруженные на Украине мастерские по изготовлению пряслиц из шифера, которые, как более красивые и удобные, заменили глиняные. Шиферные пряслица изгото­влялись, видимо, шлифованием. В XIII в. токарные изделия получили на Руси распространение, о чем свидетельствуют многочисленные археологические материалы. Академик Б.А.Рыбаков сообщает, что деревянные изделия, выточенные на токарном станке, имелись даже в провинциальном городке недалеко от Киева (Райковецкое городище). В самом Киеве, в тайнике Десятинной церкви, найдена точеная мисочка, относящаяся к XIII в.

На простейших токарных станках русские мастера работали резцами, сделанными из стали. От долгого нахождения в земле резцы в значитель­ной степени утратили свою форму. Все же Б. А. Рыбаков отмечает, что среди различных железных предметов XI—XII вв. имеется несколько резцов со скошенным краем, которые можно связывать с токарными ра­ботами.

Но даже такие незатейливые станки можно было делать более произво­дительными. Ярким примером этого служит описываемый ниже станок, приводимый в движение лучком вручную, но, в то же время, снаб­женный остроумным установочно-зажимным приспособлением, зарядка которого вынесена за пределы станка. Станок, изготовленный в XVIII в., хранится в Семеновском ку­старно-художественном музее Горьковской области. Специализация станка для выполнения лишь одной операции на однотипной заготовке деревян­ной ложки, изготовлявшейся в большом количестве ввиду постоянного спроса, выразилась в создании оригинального установочно-зажимного приспособления, которое является самым старым из всех известных до настоящего времени.

Приспособление состоит из деревянной двузубой вилки. Ее зубья, имеющие желобки, сходятся вместе и образуют цилиндрический канал, диаметр которого несколько меньше диаметра ручки ложки. Зубья вилки вместе с заключенной между ними ручкой ложки стягиваются хомутом, который удерживается силой трения. Таким образом, получается веретено­образный комплект, одно острие которого представляет заостренный черешок вилки, а другое — заостренный конец ручки ложки. Этот комплект ставится на станок остриями в ямки стоек — бабок. Задняя «бабка» может несколько отклоняться от вертикали, что компенсирует небольшие отклонения в размерах ложек по длине. Ограничение отклонения обеспе­чивается вкладыванием деревянного клинышка. Таким образом, приспо­собление с установленной и закрепленной в нем деталью отделено от станка. Комплект может собираться отдельным лицом параллельно с об­работкой заготовки на станке, что дает возможность значительно уско­рить работу и привлечь неквалифицированную рабочую силу для выпол­нения простой и физически легкой операции.

СТАНКИ, ПРИВОДИМЫЕ В ДЕЙСТВИЕ С ПОМОЩЬЮ ДЕРЕВЯННОЙ ПРУЖИНЫ

Потребность в изготовлении значительного количества более сложных изделий заставила искать способы улучшения конструкции примитивного токарного станка с ручным лучковым приводом. Прежде всего требовалось освободить для работы над изделием обе руки токаря. Это было достигнуто открытием ножного привода, который состоял из педали, соединенной гибкой связью с деревянной пружиной. Пружины имели вид либо очепа, либо лука.

Очеп обычно имел форму бруска, прямоугольное сечение которого на одном конце было значительно больше, чем на другом. Он прикреплялся толстым концом к стене или стойке, а к другому его концу присоединя- лась веревка, которой обматывалась один—два раза заготовка. Другой конец веревки прикреплялся к педали. Упругость очепа, тянувшего веревку, заставляла заготовку вращаться.

Первый полностью сохранившийся до наших дней токарный станок также приводился в действие с помощью деревянной пружины. Этот станок был подарен в 1500 г. тирольскими сословными представителями императору Максимилиану I.

В деревянных бабках вставлены стальные центры. Винт, вращаясь, перемещался в неподвижно закрепленной гайке и пе­ремещал резцедержатель и резец. Таким образом, в описываемой кон­струкции на один оборот заготовки была предусмотрена определенная величина подачи резца.

Поперечная подача регулировалась рабочим с помощью педали, на­жимая на которую он отводил резец от обрабатываемой детали. Попереч­ная составляющая усилия резания обеспечивалась грузом.

Устройство для прижимания резца к обрабатываемой поверхности не позволяло резцу отрываться от детали при изменении формы последней. Это позво­ляло наносить винтовые линии также и на детали с переменным сечением. Поэтому ошибочным является мнение профессора Фельдхауза о том, что на рас­сматриваемом рисунке обрабатываемая деталь изображена конической неправильно, по произволу художника — иллюстратора книги. Слож­ная работа по нанесению декоративной винтовой нарезки не только на из­делия конической формы, но даже на изделия с переменным сечением на описываемом станке была вполне осуществима.

Станок с ножным приводом осободил руку токаря, двигающую лучок, но холостое вращение заготовки и связанный с этим отвод и подвод резца остались. Сохранилась также вредная для качества работы и производительности квалифицированного труда токаря затрата тяжелого физического неквалифицированного труда на приведение станка в движение. Кроме того, прерывистость и неплавность движения привода с очепом отражались на качестве изделий.

ОТДЕЛЕНИЕ ПРИВОДА ОТ СТАНКА; СТАНКИ С МАХОВИКАМИ; ВВЕДЕНИЕ ПОДДЕРЖЕК И СУППОРТОВ ДЛЯ РЕЗЦА

Следующим после ножного привода крупнейшим преобразованием в конструкции токарного станка явилось отделение привода от станка. Это было сделано на станках, предназначенных для выполнения массовых или сложных работ. Отделение привода можно впервые увидеть на токарном станке, предназначенном для очистки и отделки литой из олова посуды. Здесь на станке впервые появляется специальный приемник энергии — шкив. Этот шкив получал энергию с помощью канатной передачи от махового колеса, вращаемого вручную отдельным рабочим (не самим токарем).

К 1671 г. относятся два весьма важных документа, касающихся токарного дела в Пушкарском приказе. Они являются наиболее старыми из известных русских документов, содержащих сведения о станках, инструментах и токарях.

Приведенные документы позволяют ознакомиться с русскими терминами, обозначавшими отдельные токарные инструменты и станочные принадлеж­ности, а именно: крюки, долота прямые и желобчатые, трубки, тиски с их принадлежностями (шурупами, гайками и ключами). Определить назначение каждой из перечисленных деталей стало возможным после изучения перевода на русский язык книги Плюмье «Токарное искусство». В этой книге описываются пред­меты, фигурирующие в документах Пушкарского приказа.

Из сравнения терминов видно, что токарные станки, установленные на Пушечном дворе, по своей конструкции не отличались от западно­европейских. Не отличались также используемые на них инструменты, а следовательно, и технологические процессы обработки.

Режущие инструменты изготовлялись, как отмечено в документах, из «уклада», т. е. стали. Ими были резцы — «крюки», у которых стер­жень был отогнут, а также «долота», т. е. токарные резцы обычного типа, прямые и желобчатые. К последним относятся также и упоминаемые в документах «трубки». Резцами-сверлами являются большие и малые «на­дари». Упоминаемые в документах «свайки» представляли собой штыри с большими шляпками и использовались для закрепления обрабатываемых изделий или в качестве опор для резца. Большой интерес представляют упоминаемые в документах «тиски с гайками и шурупы и с ключами», которые выдавались токарям по одному на два станка. Это были съемные бабки станков, позволявшие точить в подшипниках без центров. Они при­менялись главным образом для обработки валов и крупных винтов. Требование выдать пуд жестких варовых приводных веревок показывает, что станки приводились в движение уже не самими работавшими на них токарями.

В России применение водяного колеса для станков, обрабатывавших орудийные стволы, известно с середины XVII в.

До настоящего времени еще нет прямых сведений о применении силы ветра для приведения в движение токарных станков. Однако такое ис­пользование силы ветра в XVIII—XIX вв. вполне возможно, так как из­вестны факты использования энергии ветра не только в мукомольных мель­ницах. Например, сохранились чертежи лесопильного завода с обычными и дисковыми пилами, который в 1753 г. находился в эксплуатации в Киеве и приводился в движение ветряными крыльями.

Кроме введения шкива или маховика, токарные станки располагали еще одним ресурсом для улучшения условий труда и повышения каче­ства и количества продукции. Это были устройства для установки резца.

Поддержки для резца в виде продольного бруска можно было видеть уже на самых примитивных станках, описанных выше. Постепенно они становились более удобными, подвижными и превратились, наконец, в суппорты. Последние появились в XVII в. как немеханизированные устройства, а в начале XVIII в. уже были механизированы.

Конец XVIII - начало XIX в. был переломным периодом в процессе совершенствования различных видов металлообрабатывающего оборудования. Распространение металла в качестве основного конструкционного материала потребовало существенной модернизации материалообрабатывающих станков. Привод существовавших тогда станков оказывался слишком маломощным для обработки металла, а усилия руки, держащей резец,- недостаточными, чтобы снимать большую стружку с заготовки. В результате этого обработка металла оказывалась малоэффективной. Необходимо было заменить руку рабочего специальным механизмом, а мускульную силу человека - более мощным двигателем.

Первое было решено созданием подвижного резцедержателя или суппорта. Говоря о суппорте, как об одном из принципиально важных изобретений, связанных с промышленной революцией конца XVIII в., К. Маркс отмечал, что «это механическое приспособление заменяет не какое-либо особенное орудие, а самую человеческую руку, которая создает определенную форму, направляя, подводя резец и т. д. к материалу труда, например к железу». Таким образом стало возможным придавать геометрические формы отдельным частям машин с такой степенью легкости, точности и быстроты, которую не смогла бы обеспечить и самая опытная рука искуснейшего рабочего.

Французский ученый Шернбен д'Орлеан издал в 1671 г. капитальное сочинение по оптике и изготовлению оптических приборов.

На специализированном станке Шернбена, являющемся прообразом лоботокарного, кроме маховика, впервые появился контрпри­вод, позволивший изменять скорость вращения обрабатываемой детали. Последняя закреплялась на шпинделе. Держатель с установленным в нем резцом по направляющей подводился к детали и закреплялся барашком.

Другой станок Шернбена замечателен применением немеханизированого суппорта. В конструкции отмечен корпус суппорта, на кото­ром сверху имелась скоба с барашком, закреплявшим резец в держателе. Установленный таким образом резец мог быть подведен к обрабатываемой детали до контакта с ней. Глубина резания в дальнейшем регулировалась винтом поперечных подач, один конец которого был скреплен с подвижными салазками суппорта, а другой — с основанием.

Станок был специализирован для обработки деталей сравнительно небольшой ширины с помощью широкого резца, перекрывавшего ширину обрабатываемой поверхности (прообраз специализированного чистового резца или фасонного). Поэтому перемещение резца вдоль образую­щей детали цилиндрической формы "в процессе резания не требовалось. Нижние салазки и длинная прорезь в станине позволяли устанавливать суппорт против каждой из четырех деталей, подлежавших обработке. Заметим, что здесь впервые встречается последовательная обработка группы деталей, собранных на одну оправку. Этот прием объединения деталей был широко использован значительно позже, только в середине XIX в.

Проанализируем материал, приведенный выше и установим причинно-следственные связи между фактами. Выявление причинно-следственных связей позволяет установить их соответствие законам строения и развития техники (часть І, раздел 1 настоящего пособия).

Такой анализ должен проводить человек, имеющий достаточную информацию о техническом объекте, о функциях отдельных его элементов и узлов и возможных следствиях реализации этих функций.

Приведем краткое изложение истории развития токарного станка от зарождения способа обработки резанием до момента появления токарного станка с суппортом и выполним анализ этого фактического материала с позиций законов строения и развития техники.

Результаты анализа истории развития токарного станка приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Анализ истории развития технического объекта – токарного станка

эпоха	событие	следствие	закон
1	2	3	4
300 лет до н. э, Египет	Две стойки с центрами, между которыми находи­лась деталь	Возможность обработки тела вращения резанием	ЗСРТ стадия 1
362 г н.э. Рим	Гайка, выточенная на токарном станке	Возможность обработки резьб	ЗРМПФ
I–Х век н.э.	Один человек вращал деталь, а другой подставлял ре­зец и снимал слой материала.	Разделение труда между токарем и помощником	ЗСРТ стадия 3
XI— XII вв, Русь	Резцы, сделанные из стали.	Возможность обработки изделий из металла	ЗСРТ стадия 1
XV в	Ножной привод с деревянной пружиной	Освобождение для работы над изделием обеих рук токаря	ЗСРТ стадия 3
XVIII в, Россия	Оригинальное установочно-зажимное приспособление	Рост производительности благодаря специализации станка	ЗПЭТ Путь б
XVIII в	Специальный приемник энергии — шкив.	Отделение привода от станка	ЗСРТ стадия 2
XVIII в	Изобретатение токарного станка с суппортом	Возможность создавать необходимое давление резца на заготовку, и передвигать резец вдоль заготовки.	ЗПЭТ Путь б

РЕЗЮМЕ. В разделе проведено системное рассмотрение структурных элементов и узлов, определяющих этапы и логику развития металлорежущих станков от появления способа обработки резанием до современного этапа развития. На базе этого раздела можно предсказывать пути и стратегии развития станкостроения на ближайшие годы.

ВОПРОСЫ ДЛЯ АНАЛИЗА И ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ.

1. Сформулируйте положительную роль внедрения суппорта в станкостроении

2. Сформулируйте отрицательную роль внедрения суппорта в станкостроении

3. Составьте хронологическое описание этапов развития токарного станка по материалам раздела

4. Проведите аналитическое исследование причинно-следственных связей в развитии токарного станка на основе законов строения и развития техники