История науки и техники. Материалы и технологии Часть 2

было обусловлено развитием в XVI в. мануфактур, стремлением повысить производительность труда и качество обработки де­ талей.

До конца XVII в. на токарных станках обрабатывались де­ тали из дерева и других мягких материалов. В следующем сто­ летии часовщики, владельцы приборных мастерских и золотых дел мастера стали широко использовать токарный станок для обработки металлов. В этих машинах с перемещаемыми инст­ рументами были воплощены элементы резцового суппорта, но только в виде приспособления для выполнения легких работ. К концу столетия с усложнением машин возник спрос на токар­ ные станки для обработки крупных металлических деталей.

Токарь Петра Великого

Нартов Андрей Константинович (1683-1756 гг.), токарь Петра Великого, отец писателя Андрея Андреевича Нартова (1736-1813 гг.), статский советник, член академии наук. Спод­ вижник Петра 1. Родился 28 марта 1693 г. в Москве, сын ре- месленника-токаря. Работал с 1705 г. токарем в Сухаревой башне, принадлежащей Навигационной школе. Нартов после прохождения школы в Московской мастерской стал личным токарем царя. Старшим токарем был Иоганн Блеер. Он стро­ ил станки для худоэюественного точения. Нартов принимал в этом участие и сделался его помощником. Петр 1 заметил его и после смерти Блеера (1712г.) отдал в ведение Нартова все станки, так как тот стал уже опытным специалистом.

Около 1718 г. Нартов был послан царем в Пруссию, Голлан­ дию, Францию и Англию для усовершенствования в токарном искусстве и приобретения знаний в механике и математике. В 1723 г. он был назначен главным токарем. В 1724 г. он пред­ ставил Петру проект учреждения академии художеств. После смерти Петра ему было поручено сделать «триумфальный столп» в честь императора с изображением всех его баталий, но эта работа не была им завершена.

В 1742 г. Нартов был назначен советником академии. На этой должности он пробыл всего полтора года, потому что оказался самовластным и ничего кроме токарного художества не знающим. Он велел запечатать архив академической канце-

шагу образца, находясь в контакте с резцом, закрепленным в суппорте. Резец снимал стружку и осуществлял на заготовке винтообразную впадину. На шпинделе устанавливался шкив, который шнуром связывался с маховым колесом ручного инди­ видуального привода. Это устройство было приводом при изго­ товлении длинных винтов.

Принцип Нартова - установка образцового винта на одной оси со шпинделем и совместное движение винта и шпинделя в этом направлении - был широко распространен и использован до 30-х гг. XIX в.

Нартов и другие русские мастера (М. СидоровКрасильников, С. Шелашников, Я. Батищев) сконструировали в XVIII в. ряд металлорежущих станков (станки для сверления стволов пушек, различные агрегатные станки). Машины Бати­ щева относились к станкам, которые в настоящее время называ­ ются многопозиционными. Однако изобретения русских масте­ ров не могли получить широкого применения и известности, т.к. потребность феодально-крепостнической России в небольшом количестве машин (главным образом для изготовления вооруже­ ния) обеспечивалась отдельными небольшими заводами.

В Великобритании в конце XVIII в. сложились благоприят­ ные условия для развития машинного производства. К 1790 г. относятся работы английского механика Генри Модели (17711831 гг.) по созданию станка с механическим суппортом. Свою деятельность он начинал у Джозефом Брамом, который приду­ мал замок, требующий высокой точности изготовления, что превосходила существующие возможности. Замок предстояло выпускать большими партиями. Брама нанял к себе на работу Модели. Брама в 1794 г. изготовил токарный станок с суппор­ том (это установил Л. Рольт - английский ученый и исследова­ тель). Модели был тогда у Брамы на правах подмастерья, но та­ ланта у него было не меньше.

Позже Модели продолжил работу самостоятельно в собст­ венной мастерской при материальной поддержке известного скульптора Чендри. Его станок, созданный в 1797 г. и, особен­ но, его усовершенствованный вариант, выпущенный в 1800 г., открыли новую эпоху в машиностроении. Он применил чугун­ ную станину, которая состояла из двух трехгранных чугунных

брусьев трех футов длиной, скрепленных болтами с массивны­ ми чугунными опорами. Продольные брусья служили направ­ ляющими. Шпиндель был соединен с ходовым винтом парой зубчатых колес, закрытых металлическим ограждением (первое стационарное защитное устройство в конструкции станка). Суппорт получал движение от ходового винта с помощью пары зубчатых колес. Имелся запас ходовых винтов. Их смена облег­ чалась устройством разъемных подшипников-зажимов. [16]

Так называемый крестовый суппорт имел две подвижные взаимно перпендикулярные каретки. Благодаря этому укреп­ ленный на верхней каретке резец мог передвигаться с помощью винтов по независимым друг от друга направлениям - вдоль оси вращающейся заготовки и перпендикулярно к ней, как в со­ временных станках. Необходимо подчеркнуть, что идея суппор­ та с несколькими каретками была не нова. Так, около 1770 г. во Франции пока неизвестным историкам техники изобретателем было сконструировано устройство, с помощью которого резец можно было перемещать в трех взаимно перпендикулярных на­ правлениях. Однако, несмотря на это, Модели по праву считают создателем крестового суппорта, так как его суппорт отличался новизной и полной пригодностью для разнообразных целей промышленного производства.

Модели внес в конструкцию токарного станка, кроме суп­ порта три новшества, которые превратили его в универсальное устройство для самых тяжелых режимов обработки с высокой точностью: изготовление цельнометалической конструкции станины, получение точной плоской поверхности для переме­ щения салазок резца, разработка технологии точного изготов­ ления ходового винта достаточной длины.

Хотя в токарных станках, изготовленных Модели, нет ни одной особенности, которая ранее не была неизвестна, его станки оказались намного совершеннее и отличались от всех своих предшественников. Недаром на парадной лестнице Ин­ ститута инженеров-механиков в Лондоне на почетном месте ус­ тановлена скульптура сына плотника - выдающегося инженера Модели, работавшего с 12 лет кузнецом и слесарем в знамени­ том арсенале в Вулвиче.

В Кенсингтонском музее истории науки и техники в Лон­ доне хранится множество экспонатов, изобретенных Модели и сделанных его руками. С 1942 г. существует общество Модели. Ренни Модели - праправнук Генри Модели, ветеран Второй мировой войны, был президентом «Общества Модели» в 1981 г. Друзьями Модели были скульптор Чендри, Майкл Фарадей, а также Нэсмит (1816-1890 гг.) - создатель парового молота и многих других устройств. Модели и Несмит на глаз, вручную могли сделать плоскость, цилиндр, конус, сферу идеальной формы и с филигранной точностью.

К началу промышленного переворота в Англии конструк­ ции токарных станков достигли уровня такого совершенства, что позволяло изготавливать на них металлические детали ма­ шин. Это важнейшее условие перевооружения промышленно­ сти. Это опровергает сложившееся в зарубежной технической литературе представление, что механизированный суппорт с набором сменных зубчатых колес изначально был изобретен Генри Модели и внедрен в производство на рубеже XVIIIXIX вв. Его заслуга состоит в том, что он в конструктивном от­ ношении удачно оформил разработанные до него идеи и вне­ дрял элементы механизации во все изготовляемые им станки. Это направление деятельности Модели соответствовало требо­ ваниям эпохи и принесло ему заслуженный успех.

Однако в технической литературе имеются сведения, что в 1830 г. в Европе хорошим токарем считался тот, который мог сделать деталь с точностью до 1,6 мм.

Мастера Древней Руси делали резцы из нескольких мате­ риалов. Такие резцы в сечении представляли собой трехслой­ ный пирог. Слои были разной твердости, а резцы имели сталь­ ную закаленную головку с режущим лезвием, приваренную к стержню из мягкого железа. В X в. резцы новгородцев для внешнего точения имели вид обыкновенных стамесок с прямым или наклонным лезвием. Несколько позже наряду с такими прямыми резцами стамесками появились изогнутые и даже с за­ зубринами на внешней дугообразной стороне. Этими зазубри­ нами резец упирали, скорее всего, в деревянную станину стан­ ка, что значительно облегчало условия работы, позволяло сни­ мать большую стружку и даже повышало точность обработки.

Такие резцы с зазубринами просуществовали многие сотни лет

-вплоть до 20-х годов нашего столетия.

Внаше время резцы отличаются большим разнообразием. Причина этого не стремление усложнить дело, а производст­ венная необходимость - как можно лучше приспособить резец под определенный вид работ. Для обточки наружных поверхно­ стей служат проходные резцы. При необходимости проточить уступ перпендикулярно или наклонно к оси вращения детали, обработать ее торец применяют подрезные резцы, расточными резцами растачивают сквозные и глухие отверстия. Для полу­ чения резьб на внутренних и наружных цилиндрических и ко­ нических поверхностях используют резьбонарезные резцы. Фа­ сонными резцами воспроизводится контур детали или ее части. Отрезные резцы применяют для отделения от заготовки ее час­ ти или уже обработанной детали.

Иногда инструментам присваивались имена, не оправдан­ ные их приоритетом. Так, резцы с прямоугольными режущими кромками назывались у нас в 30-х годах английскими резцами Герберта или немецкими. Эти резцы были стандартизированы во время Первой мировой войны на заводе Герберта в Англии и примерно тогда же в Германии. В России же подобные резцы применялись еще раньше и описаны в 1896 г. профессором Ар­ тиллерийской академии А. Бриксом. Аналогично обстояло дело

срезцами, имеющими закругленную режущую кромку, которые именовались резцами Тейлора и демонстрировались как новин­ ка на пражской выставке в 1900 г. Чашечные резцы или грибо­ видные получили название французских, в то время как на рус­ ских заводах чашечные резцы, разработанные отечественными специалистами, с успехом применялись для обработки банда­ жей. А в 1913 г. в мастерских Санкт-Петербургского Политех­ нического института испытывался даже не жестко закреплен­ ный стационарный чашечный резец, а с вращающейся голов­ кой. Изогнутые резцы с опущенной головкой были разработаны

в1870 г. И. Тиме, а спустя 26 лет появилось их описание во французской литературе, после чего они «перекочевали» снова

вРоссию как иностранные.

Станок с револьверной головкой появился в 40-х годах XIX в. Неквалифицированный токарь выполнял на нем прибли­ зительно до восьми различных операций.

Специальные вертикальные станки для расточки канала орудия появились в XIV в., а горизонтальные - в XVI в. Джон Смитон сконструировал и изготовил в 1769 г. горизонтальный расточный станок с приводом от водяного колеса. По свиде­ тельству Уатта, его паровую машину было бы невозможно из­ готовить без горизонтального расточного станка, созданного в 1774 г. Вилькинсоном. Вилькинсон поместил расточную голов­ ку на длинный жесткий стержень, проходивший через весь ци­ линдр и имевший опоры на своих обоих концах. К 1830 г. изо­ бретатели довели его станок до современного вида.

8.2.3. Фрезерный и некоторые другие станки

Появление металлорежущих станков связано с развитием крупного капиталистического производства, с организацией первых промышленных предприятий заводского типа. Широкое распространение машин-орудий, а затем и паровых машин тре­ бовало повышенной точности обработки деталей. Эта задача могла быть решена только с изобретением машин для произ­ водства машин и в первую очередь металлорежущих станков с механическим суппортом.

Механический суппорт, перенесенный с токарного на дру­ гие металлорежущие станки, положил начало станкам с разви­ тым исполнительным механизмом. В дальнейшем основные ти­ пы металлорежущих станков были сконцентрированы в Герма­ нии, Франции, США и других странах: над их созданием рабо­ тали многие изобретатели [17].

После применения шкива в приводе токарного станка такой же принцип передачи движения перенесли на строгальный ста­ нок. Первый строгальный станок для металла, аналогичный по­ добному устройству для обработки дерева, был создан фран­ цузским механиком Никола Фокком в 1751 г. Однако совре­ менный вид продольно-строгальные и поперечно-строгальные станки приобрели только в XIX в. Создание одного из первых строгальный станков в 1817 г. связано с именем Робертса. Од­

нако существенно улучшенный вариант такого станка появился

в1835 г. благодаря работам Витворта (1803-1887 гг.), который

втечение восьми лет был учеником Модели, также являющего­ ся автором нескольких моделей строгальных станков.

Устройство для нарезания зубьев появилось в XII в. Дели­ тельная головка была создана значительно позже - в XVI в. Пер­ вый зуборезный станок появился в Дрездене в 1564 г. Во Фран­ ции в 1709 г. Никола Бион создал станок для изготовления зубча­ тых колес для часового производства. Фрезерный станок для на­ резания зубьев в нескольких модификациях был существенно усовершенствован к XVIII в. Зуборезные станки автоматы появи­

лись в 70-х годах, а червячно-фрезерные - в 80-х годах XIX в.

В 1818 г. Бланшар изобрел свой станок для изготовления ружейных лож, первый станок, позволявший по копиру делать изделие сложной формы. Это изобретение имело большую цен­ ность. В том же году Уитни, ставший известным благодаря соз­ данной им хлопкоочистительной машине (см. «Материалы и технология», ч. I), построил первый универсальный фрезерный станок и фрезу, близкую к современным. Уитни разработал для своего оружейного завода несколько конструкций фрезерных станков. В 1829 г. патент на фрезерный станок был выдан на имя Джона Несмита, владельца крупных машиностроительных заводов, в 1861 г. - патент на усовершенствованный фрезерный станок на имя фирмы «Браун и Шари». Ко второй половине XIX в. были разработаны модели фрезерных, револьверных, строгальных доменных станков, главным образом, для удовле­ творения нужд начавшегося дорожного строительства и океан­ ского пароходства. Станки получили известность под маркой выпускавших их крупнейших машиностроительных фирм - «Витворт», «Несмит», «Симерс», «Парт». Первый современный универсальный фрезерный станок появился в 1861-1862 гг.

Долбежный станок был создан в начале XIX в. (Брюнель и Модели). В 1839 г. Бодмер (Швейцария) предложил карусель­ ный станок.

Абразивные станки для заточки инструмента относятся к одним из ранних. Так в 1570 г. был описан станок, сделанный Фельдхаузом, в 1607 г. - знаменитым механиком Донка [15]. Прогрессу в области абразивной обработки способствовало 98

создание карборунда, синтезированного в электропечи с 1893 г. До этого использовали естественный корунд. Карборунд тверже и мелкозернистее корунда. Высококачественные искусственные абразивы существенно расширили применение шлифования и во многих случаях вытеснили непосредственное резание. Шли­ фование обеспечивает высокую производительность и большую точность, которая не может быть достигнута резанием.

8.2.4. Станки-автоматы

В 1835 г. Джозеф Витворт (Англия) создал автоматический токарный винторезный станок. В США в годы гражданской войны появился и был внедрен в производство первый станокавтомат, в котором несколько инструментов подводились к из­ делию автоматически в определенной последовательности, а токарь только подавал прутковые заготовки. Многошпиндель­ ный станок появился в 1895 г. На нем изделие автоматически проходило через ряд позиций и на каждой подвергалось одной или нескольким операциям. Накануне Первой мировой войны появились универсальные автоматизированные токарные стан­ ки. На них заготовка последовательно проходила через ряд по­ зиций. На каждой позиции заготовка подвергалась операциям сверления, точения, нарезания, проточки и развертки.

В 1900 г. итальянец Бонтемпи применил для копировально­ фрезерного станка схему с гидромеханическим управлением, которая позволила уменьшить мощность управляющего сигнала по сравнению с выходной мощностью в тысячи раз. Копир и за­ готовка устанавливались на одном столе и получали враща­ тельное движение с одинаковой скоростью. Ролик двигался по профилю копира, считывая с него информацию, необходимую для управления движением фрезы, а движение ролика переда­ валось поршню золотникового распределителя, который откры­ вал доступ жидкости от насоса в ту или иную полости большого (силового) гидроцилиндра. Жидкость, подаваемая под давлени­ ем в левую полость гидроцилиндра, выходила из правой полос­ ти, а весь стол вместе с роликом и фрезой двигался влево. Од­ новременно со столом, несущим фрезу, начинал перемещаться цилиндр золотника. Таким образом, действовала цепь обратной