3725

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова»

История и методология науки в области технологии машиностроения

Методические указания для самостоятельной работы студентов

по направлению подготовки 15.04.02 – Технологические машины и оборудование

Воронеж 2018

УДК 630 *:65.011.

Попиков П. И. История и методология науки в области технологии машиностроения [Электронный ресурс]: методические указания для самостоятельной работы студентов по направлению подготовки 15.04.02 - Технологические машины и оборудование / П . И. Попиков; М-во образования и науки РФ, ФГБОУ ВО «ВГЛТУ».– Воронеж, 2018.– 31 с.

Печатается по решению учебно-методического совета ФГБОУ ВО «ВГЛТУ» (протокол № 1 от 28 сентября 2018 г.)

Рецензент заведующий кафедрой электротехники и автоматики ФГБОУ ВПО Воронежский ГАУ имени императора Петра I , д-р техн. наук, проф. Д.Н. Афоничев

Тема 1. История развития технологии машиностроения

Темы рефератов

1.Возникновение и развитие технологии машиностроения в западной Европе.

2.Возникновение и развитие технологии машиностроения в России.

Методические указания к подготовке рефератов

1. Раскройте причины возникновения машиностроения в Западной Европе и вклад древнегреческих ученых. Так древнегреческий математик и механик Архимед объяснил принцип действия «простых машин», начиная с наиболее элементарной - рычага. Именно Архимеду приписывают знаменитое высказывание: «Дайте мне точку опоры, и я поверну землю». Существует мнение, что изобретение зубчатого колеса также принадлежит ему. Сохранился его огромный вклад в математику, механику, физику. Ктесибий (II-I вв. до нашей эры) изобрел счетчик оборотов, явившийся прообразом современного спидометра; водяные часы и поршневой насос, подъемную машину на сжатом воздухе - прообраз компрессора. Герон Александрийский (I в. до нашей эры) изобрел реактивную турбину. Он написал несколько трудов, в которых обобщил опыт создания машин и механизмов. Римский инженер и архитектор Марк Витрувий Поллион (конец I в. до нашей эры) написал руководство «Десять книг об архитектуре», которым в последствии пользовались полторы тысячи лет. Очень много информации в этом труде посвящено машинам, описан опыт, накопленный в Греции и других странах по проектированию машин.

Охарактеризуйте механизмы и машины средневековья.

Во множестве появляются ветряные мельницы. Последние оказались более удобными, чем водное колесо: для работы требовался только ветер, который бывает везде. В XII-XIII вв. появляются железоделательные мельницы, мельницы для распиливания деревьев, изготовления бумаги и производства сукна.Начиная с XIII в. развитие машин ускоряется, появляются новые схемы механизмов, например с вертикальным барабаном лебедки, с тормозом, начинается употребление винтовых домкратов. В 1280 году в Европе начинает использоваться прядильное колесо, изобретенное, скорее всего в Индии, но имеющее привод бесконечной ленты. В 1440 году изобретается маховое колесо. В начале XIV века появилась артиллерия. Начинается совершенствование военных машин. Машины становятся активными помощниками человека. Средневековье стало периодом расцвета

многих ремесел, связанных с металлообработкой. Кузнецы, жестянщики, литейщики, лудильщики приобретают богатый опыт в обращении с металлами. Начинается специализация по отдельным металлам и видам изделий. Предметы, сохранившиеся до наших дней, свидетельствуют о высоком искусстве и больших технических возможностях мастеров средневековья. На протяжении всего средневековья кузнецы считаются самой почетной и уважаемой категорией ремесленников. Развиваются новые и совершенствуются известные способы добычи и обработки металлов.

Георг Агрикола (1494-1555) создает фундаментальный труд, первые шесть томов которого, посвящены горному делу; седьмой - способам опытной плавки руд для определения содержания металлов; восьмой - обогащение и подготовка руд к переработке; в девятом описаны способы выплавки; десятом - методы разделения; одиннадцатый содержал подробные сведения о металлургическом оборудовании, а двенадцатый - описание процессов получения соды, селитры, соли, битума и стекла. Работа ознаменовала рождение научной металлургии. Отличалась четкостью и ясностью описания технологических процессов и оборудования и была иллюстрирована 292 гравюрами на дереве.

Саксонский инженер Якоб Леупольд (1674-1727) систематизировал накопленные к тому времени знания в десяти томах книги «Театр машин». Он дал более широкое определение машины: «Машина или приспособление, есть искусственное произведение, при помощи которого могут осуществляться движения, а также экономиться время и сила».

Отдельные представления и теории описываются и объединяются, формируется наука. И в годы позднего средневековья в учебных заведениях начинают преподавать основы механики, как науки о строении и принципах работы механизмов и машин. В Оксфордском, Парижском и некоторых других учебных заведениях начинают уделять все большее внимание преподаванию математики в связи с тем, что она необходима для сооружения машин.

Мануфактурный период развития

В мануфактурный период особенно быстро развиваются машины-двигатели, с помощью которых один вид энергии преобразуется в другой, удобный для эксплуатации. Кроме труда человека и силы животных широко используются новые источники энергии. Человек учится управлять энергией и полноценно использовать ее. Разделение труда приводит к увеличению производительности.

Начинают появляться и рабочие машины (машины-орудия), с помощью которых производится изменение формы, свойств, состояния и положения

объектов труда. В начальный период такие машины применялись в подготовительных и вспомогательных процессах.

В данный период развития машиностроения, как отрасли промышленности, не существовало. В это время наиболее интенсивно развивалась металлообработка. Почти во всех крупных мануфактурах были мастерские по изготовлению инструмента и приспособлений для удовлетворения собственных нужд: сверла, ножницы, клещи, топоры; элементарные сверлильные, точильные, шлифовальные станки с применением основного процесса рукой человека. Тем не менее, мануфактурный период характеризуется резким увеличением числа изобретений и усовершенствований. Использование машин и внедрение рационализаторских решений открывало большие возможности: значительное повышение производительности труда; улучшение качества, а также снижение стоимости.

Развитие машинной индустрии в период промышленной революции XVIII-XIX вв.

В ремесленном производстве человек непосредственно воздействовал на предмет труда при помощи простых орудий, применялись преимущественно машины-двигатели, употребляемые при второстепенных и подготовительных процессах производства. Переход от мануфактурного производства к машинному, был осуществлен с изобретением и применением рабочих машин. Крупная машинная индустрия исторически сменила мануфактуру не сразу, а в течение определенного периода времени, различного в разных странах по времени осуществления и длительности. Внедрение рабочих машин позволило поднять производительность труда. Они заменили руки рабочего, более того, создали возможность почти неограниченно расширить количество инструментов, одновременно воздействующих на предмет труда. Но техника изготовления машин даже в наиболее передовых странах была ручной, следовательно, машины производились медленно и в малых количествах. Ручной труд не мог разрешить многих технических задач. После крушения феодализма стала быстро развиваться крупная машинная капиталистическая промышленность. Буржуазия создала грандиозные производственные силы. Основой новой формы организации общественного производства стала капиталистическая фабрика.

Характерной чертой техники этого периода явилось изобретение и распространение в основных отраслях промышленности рабочих машин, являющихся качественно новым явлением в истории техники. Таким образом, промышленный переворот или промышленная революция - это процесс перехода мануфактурного производства к фабричной системе. И

разделяется этот процесс на несколько этапов. Первый этап связан с появлением рабочих машин.

Постройка железных дорог, паровозов, вагонов, пароходов шла очень быстрыми темпами и требовала соответствующих механизмов для изготовления тяжелых и больших поковок. В 1784 г. в Англии Уатт предложил использовать энергию пара. И в 1839 г. Джеймс Несмит сконструировал, а в 1842 построил паровой молот, который и до настоящего времени сохранил свои основные конструктивные черты. Благодаря ряду ценных качеств (достаточная быстроходность, возможность применения для ковки любой по габаритам и весу поковки, удары легко регулируются по силе и скорости, поверхность после ковки чистая и ровная) паровые молоты получили очень широкое распространение. Дальнейшее конструирование и развитие паровых молотов шло по двум основным направлениям: повышение низкого КПД и специализации для выполнения отдельных кузнечных операций.

Возрастающая сложность машин требовала увеличения мощностей, скоростей, а также надежности и точности работы механизмов. По мере внедрения машин во все новые отрасли промышленности к машиностроению предъявлялись все более и более повышенные требования. Второй этап начинается с изобретения универсального теплового двигателя, т.е. паровой машины. После изобретения рабочих машин и создания теплового двигателя основной задачей становится техническое перевооружение машиностроения. Наступает третий этап промышленной революции. Машиностроение становится основой крупной машинной индустрии.

Машиностроение является важной частью промышленного комплекса большого количества стран Западной Европы. Известные бренды с мировым именем представляют свою продукцию как на внутреннем, так и на международном рынках. При этом постоянное совершенствование и выход новых моделей и линеек – та особенность, которая характеризует машиностроение крупных промышленных стран.

2. Основы теории и практики машиностроения и приборостроения заложены М.В. Ломоносовым и механиками-изобретателями И.И. Ползуновым, К.Д. и П.К. Фроловыми, И.П. Кулибиным, Е.А. и М.Е. Черепановыми и другими.

История возникновения металлообработки в России мало исследована, однако известно, что:

•в X в. Русские ремесленники обладали высокой техникой изготовления оружия, предметов обихода и т.п.;

•в XII в. Русские оружейники применяли сверлильные и токарные устройства с ручным приводом и вращательным движением инструмента или заготовки;

•в XIV – XVI в.в. использовались токарные и сверлильные устройства с приводом от ветряной мельницы;

•в XVI в. в селе Павлове на Оке и в окрестностях г. Тулы существовала металлообрабатывающая промышленность.

В 1714 г. на Тульском оружейном заводе выдающийся русский механик М.В.Сидоров создал «вододействуюшие машины» для сверления оружейных стволов.В это же время солдат Яков Батишев построил станки для одновременного сверления 24 ружейных стволов, станки для зачистки напильниками наружных и внутренних поверхностей оружейных стволов с помощью «водил» от мельничных приводов и др. В конце XVIII — начале XIX в. работы М. В. Сидорова и Я. Батищева были продолжены мастерамимеханиками А.Суриным, Я.Леонтьевым, Л.Собакиным и др.

• В период 1718 —1725 гг. русский механик и изобретатель А. К. Нартов создал механический суппорт для токарного станка, который с помощью реечно-шестеренного привода перемешался вдоль обрабатываемой детали. Он также создал винторезный, зуборезный, пилонасекательный и другие станки оригинальной конструкции.

•М.В.Ломоносов (1711-1765)построил лоботокарные, сферотокарные и шлифовальные станки.

•И.И.Ползунов (1728-1764)построил цилиндрорасточные и др. станки для обработки деталей паровых котлов;

•И.П.Кулибин (1735-1818)построил станки для изготовления зубчатых колес часовых механизмов.

Первая паровая машина была создана Черепановым в 1820 г.

На рубеже XVIII и XIX в период бурного развития производительных сил России остро встает вопрос о качестве дорог и способах транспортировки по ним все увеличивающихся грузовых потоков. Сухопутные перевозки осуществлялись или в порядке подводно-гужевой повинности, или с помощью наемных ямщиков.

В октябре 1833 г. на Выйском заводе начались работы по сооружению первой в России "паровой телеги"; в феврале 1834 г. состоялись ее испытания. Основу паровоза составлял горизонтально расположенный котел цилиндрической формы длиной 1,7 м диаметром 0,9 м, имевший 80 дымогарных трубок. Два паровых цилиндра также располагались

горизонтально. Первый паровоз Черепановых, или как его тогда называли "сухопутный пароход", перевозил состав весом более 3 т со скоростью около 15 км/час.

Технология машиностроения в России как наука прошла в своем развитии через несколько этапов.

Первый этап, охватывающий период XIX —начало XX в., был ознаменован первыми работами по обобщению накопленного производственного опыта в области металлообработки. Это книга И. А. Двигубского «Начальные основания технологии как краткое описание работ на заводах и фабриках производимых», труд И. А. Тиме «Основы машиностроения» (1885), трехтомник А.П.Гавриленко «Технология металлов» (1861), обобщающий опыт развития технологии металлообработки (долгие годы был основным курсом, используя который, училось несколько поколений русских инженеров).

Второй этап, совпадающий с завершением периода восстановления и началом реконструкции промышленности России (до 1930 г.), характеризуется накоплением отечественного и зарубежного опыта производства машин. В технических журналах, каталогах и брошюрах этого времени публикуются описания процессов обработки различных деталей, применяемого оборудования, оснастки и инструментов. Издаются первые руководящие и нормативные материалы ведомственных проектных организаций страны.

Третий этап относится к периоду 1930 — 1991 гт. и определяется продолжением накопления, обобщения и систематизации производственного опыта, началом разработки общих научных принципов построения технологических процессов и формированием технологии машиностроения как науки в связи с опубликованием в 1933 — 1935 гг. первых систематизированных научных трудов ученых А.П.Соколовского, А И. Каширина, В. М. Кована и АБ.Яхина.

На этом этапе русскими учеными и инженерами были разработаны основополагающие принципы построения технологических процессов и заложены основные теоретические положения технологии машиностроения: типизация технологических процессов (А.П.Соколовский, М.С.Красильщиков, Ф.С Демьянюк и др.); теория базирования заготовок при обработке, измерении и сборке (А.П.Соколовский, А.П.Знаменский, А.И.Каширин, В. М. Кован, А.Б.Яхин и др.); методы расчета припусков на обработку (В. М. Кован, А. П. Соколовский, Б.С.Балакшин, А.И.Каширин и др.); жесткость технологической системы (К. В. Вотинов, А П. Соколовский); расчетно-аналитический метод определения первичных погрешностей обработки заготовок (А П. Соколовский, Б. С. Балакшин, В.С.Корсаков,

А.Б.Яхин и др.); методы исследования точности обработки на станках с применением математической статистики и теории вероятностей (АА.Зыков, А.Б.Яхин).

Четвертый этап, охватывающий годы Великой Отечественной войны и послевоенного развития (1941 — 1970), — период наиболее интенсивного развития технологии машиностроения, разработки новых технологических идей и формирования научных основ технологической науки. Глубокому научному анализу, теоретической проработке и практической проверке подверглись принципы дифференциации и концентрации операций, методов поточного производства в условиях серийного и крупносерийного изготовления военной техники, методы скоростной обработки металлов, применение переналаживаемой технологической оснастки и ряд других технических новинок.

Вэти годы формируется современная теория точности обработки заготовок и подробно разрабатывается расчетно-аналитический метод определения погрешностей обработки и их суммирования; совершенствуются методы математической статистики для анализа точности процессов механической обработки и сборки, работы оборудования и инструмента (Н.А.Бородачев, А.И.Яхин и др.). Начаты работы по анализу микрорельефа обработанной поверхности при использовании абразивного инструмента (Ю. В.Линник, И.В.Дунин-Барковский и др.). Получили дальнейшее развитие работы по созданию ученья о жесткости технологической системы и ее влиянии на точность и производительность механической обработки с широким внедрением методов расчета жесткости в конструкторские и технологические расчеты при проектировании станков и инструментов.

Вэто время проводятся теоретические и экспериментальные исследования качества обработанной поверхности (наклепа, шероховатости, остаточных напряжений) и их влияния на эксплуатационные свойства деталей машин (П. Е. Дьяченко, А. И. Исаев, А.Н.Каширин, И.В.Крачельский, А.А.Маталин, А.В.Подзей, Э. В. Рыжов, А. М. Сулима и др.). Формируется новое научное направление — изучение технологической наследственности (А.М.Дальский, А. А.Маталин, П. И.Яшерицын).

Большое внимание в этот период стало обращаться на проблему организации поточных и автоматизированных технологических процессов обработки заготовок в серийном и массовом производстве. Групповой метод технологии и организации производства был разработан и внедрен в производство С.П.Митрофановым; В. В. Бойцовым и Ф.С. Демьянюком созданы теоретические основы поточно-автоматизированного производства на базе типизации технологических процессов и классификации обрабатываемых деталей; подробно разрабатывается построение структур технологических операций (В.М.Кован, В.С.Корсаков, Д. В.Чарнко).

Путем обобщения и систематизации материалов по технологии сборки В. С. Корсаковым и М. П.Новиковым разрабатываются научные основы сборки деталей. В производстве начинают находить широкое применение методы объемной и чистовой обработки пластическим деформированием, электрофизической и электрохимической обработки.

Пятый этап (с 1970 г. по настоящее время) характеризуется широким использованием достижений фундаментальных и общеинженерных наук для решения теоретических и практических задач технологии машиностроения. В качестве теоретической основы ее новых направлений или аппарата для решения практических технологических вопросов принимаются различные разделы математической науки (теория графов, множеств и т.д.), теоретической механики, физики, химии, теории пластичности, металловедения, кристаллографии и многих других наук. Это существенно повышает общий теоретический уровень технологии машиностроения и ее практические возможности.

В практике машиностроения имеют место широкое применение вычислительной техники при проектировании технологических процессов и моделировании процессов механической обработки; автоматизация программирования процессов обработки на станках с числовым программным управлением (ЧПУ). Создаются системы автоматизированного проектирования технологических процессов (САПР ТП).

Большое внимание в 1990-е гг. уделялось вопросам рационального использования робототехники при автоматизации технологических процессов и создании гибких автоматизированных производственных систем на основе использования ЭВМ, автоматизации межоперационного транспортирования и накопления деталей, активного и пассивного контроля деталей на поточно-автоматизированных линиях.

Бурное развитие машиностроения и научно-исследовательских работ в последние десятилетия привело к созданию новых специализированных дисциплин: «Технология автомобилестроения», «Технология автотракторостроения», «Технология станкостроения» и др. Дальнейшая работа по формированию «Технологии машиностроения» как науки привела к делению дисциплины на два самостоятельных курса: «Основы технологии машиностроения» и «Специальная часть технологии машиностроения». В первом курсе излагаются вопросы, общие для всех отраслей машиностроения, во втором — вопросы, специфические для данной отрасли машиностроения, касающиеся главным образом обработки основных заготовок деталей и сборки машин.

В настоящее время серийное производство станков в России составляет до 75-80% действующих производственных мощностей.