История науки и техники. Материалы и технологии Часть 2

те как о потоке частиц позволило ему объяснить фотоэффект и разработать соответствующую математическую модель. Объяс­ нение фотоэффекта, данное Эйнштейном, не сразу получило признание физиков. Потребовались исследования Милликена, подтвердившие формулу Эйнштейна для фотоэффекта в види­ мой и ультрафиолетовой областях света. Альберт Эйнштейн получил Нобелевскую премию по физике в 1921 г. за открытие законов фотоэффекта и за заслуги в области математической физики. Роберт Эндрюс Милликен получил Нобелевскую пре­ мию по физике в 1923 г. за измерение с высокой точностью электрического заряда электрона и за исследование квантовой теории фотоэффекта.

Системы, преобразующие изменение параметров света в изменение электрического тока, а затем с помощью усилителя и реле - в механические действия были созданы главным образом после Второй мировой войны.

Военные нужды, например, необходимость автоматическо­ го наведения зенитного орудия на цель, привели к быстрому развитию теории и практики системы автоматического управ­ ления. Работы по радиолокации увенчались большими дости­ жениями по разработке электронных устройств, важных для всех видов автоматического управления. Автоматический кон­ троль и автоматическое регулирование стали преобладающей тенденцией промышленного развития. Машина обрела способ­ ность самостоятельно выполнять длинную цепь сложных опе­ раций. Роль человека при этом сводится к конструированию и созданию машины, а также к поддержанию ее в работоспособ­ ном состоянии. Программируемая автоматизация и применение вычислительных машин являются самыми яркими штрихами современной жизни.

Наука о машинах, заменяющих человека и автоматически выполняющих задания, получила название «робототехника№ (robotics). Этот термин происходит от чешского слова «робота», означающего воинскую повинность, а свое новое понятие полу­ чил от драматурга Карела Чапека в 1920 г. Через семь лет после премьеры пьесы Чапека «R. U. R.» американский инженер Джон Вексли сконструировал первый робот «Televox», выполнящий команды, передаваемые человеческим голосом. Важ­

нейшим элементом робототехнических устройств является реле (relay) - электромеханическое или электронное устройство для переключения системы по сигналу от какого-либо внешнего слабого воздействия для получения более сильного сигнала. Этот термин заимствован из французского языка, где обознача­ ет станцию, на которой производят замену уставших лошадей свежими для продолжения движения. Практические принципы робототехники впервые сформулировал англичанин С.В. Кенворд в 1957 г. Роботы стали широко использоваться в США для автоматизации производства прессформ в литье, выполнения литья под давлением и работ на различных металлорежущих станках. Также в США были изобретены роботы для точечной сварки на конвейерах. Робот для покраски деталей впервые поя­ вился в 1966 г. в Норвегии. Современные роботы оснащаются механическими манипуляторами (с гидравлическим, пневмати­ ческим или электрическим приводами), датчиками различного типа и компьютером для управления.

8.3.ПРОИЗВОДСТВО

8.3.1.Ремесленник становится рабочим

Ремесло стало самостоятельной областью человеческой деятельности лишь тогда, когда у древних людей появились из­ бытки продуктов земледелия и скотоводства, а значит и воз­ можность обменивать продукты питания на разные изделия: оружие, посуду, хозяйственный инвентарь, украшения. В пле­ менах стали выделяться целые группы людей и даже целые се­ мьи, которые снабжали общину различными видами изделий. С появлением все более совершенных орудий труда повысилась эффективность охоты, рыбной ловли, а впоследствии - земле­ делия и животноводства. В период появления первых цивили­ заций возникли рабовладельческие мастерские, которые почти совершенно вытеснили бывших свободных ремесленников. С началом упадка Римской империи, когда победоносные армии перестали захватывать рабов, появилась нехватка рабочих рук. В средние века труд стал достойным занятием и пользовался

уважением. Следует отметить положительную роль монастыр­ ских орденов, в которых монахи занимались как физическим трудом, так и изучением грамоты, насаждая впервые традицию заинтересованности грамотных людей процессами производст­ ва. И крепостной крестьянин и, особенно, крепостной ремес­ ленник разко отличались от раба-ремесленника. А искусный мастеровой, живущий в свободном городе, становится равно­ правным членом общества.

Некоторые ученые утверждают, что в так называемой вар­ варской Европе благодаря стечению определенных географиче­ ских и исторических обстоятельств возник уникальный общест­ венный строй, который предвосхитил особенности современно­ го европейского государственного устройства. С этой точки зрения классические рабовладельческие цивилизации Древнего Мира от Шумера до Римской Империи следует считать откло­ нением от столбовой дороги истории, корни которой лежат в варварской Европе.

В средние века промышленность была служанкой сельского хозяйства, а политическая и экономическая власти сосредота­ чивалась в руках феодалов. Крупные феодалы были владельца­ ми земли и крепостных. Последние иногда занимались не толь­ ко сельским хозяйством, но и ремеслом, отдавая часть продук­ ции в виде оброка своему хозяину. Типичным промышленным предприятием была мастерская. В городах с хорошо развитой промышленностью мастера объединялись в ремесленные цехи, производившие от начала до конца какую-либо определенную продукцию. Хозяин мастерской - самостоятельный ремеслен­ ник являлся собственником всего оборудования и инструмен­ тов. Ему обычно помогали один-два подмастерья, которые го­ товились вскоре стать самостоятельными мастерами. Цехи бы­ ли союзами ремесленников со своими уставами, обязательными для всех его членов. Устав требовал, чтобы ремесленники изго­ тавливали изделия по определенному образцу из хорошего сы­ рья. Хозяин или мастер должен был обеспечивать подготовку подмастерьев, чтобы они затем могли перейти к самостоятель­ ной работе. Цехи отстаивали интересы своего объединения и следили, чтобы к ним не проникали неквалифицированные чу­

жаки. Такая форма организации производства оставалась пре­ обладающей почти во всех отраслях еще долгое время.

Из истории технологии Тульского оружейного завода.

Изготовление стрелкового оруж ия сначала было куст ар­

ным и носило характ ер ремесленного производства. Кузнецы работ али дома, имея домашний горн, наковальню, тиски, то­

чило, ручной молот, клещи, напильники и сверла.

Отметим, что такой «джентельменский набор» мож но увидет ь и в доме-музее знаменитого оруж ейника времен Вели­ кой Отечественной войны Дегт ярева. Музей находится в под­ вале дома в г. Ковров Владимирской обл. Н аряду с ручным то­ карным станком с помощью эт ого оборудования мож но было изготовить опытный образец узла, например, замка. Опытный образец создавался обычно без чертежей, «наглаз».

Оружейная палата определяла перечень необходимых специ­ альностей, представители которых селились по соответствую­ щим слободам: заварной, ствольной, курковой, штыковой и т.д.

Наиболее сложной работ ой было изготовление руж ейных стволов. Сначала они делались из двух досок (пластин), одна из которых шла на дульную часть, а другая - на казенную. Сталь­

ные доски отковывались вручную. От обычной железной поло­ сы, получаемой с ж елезоделательного завода, зубилом от руба­ ли кусок длиною 14 вершков и весом до 14 фунтов и разрубали на две части в отношении 0,75:1 (меньшая - для казенной час­

ти, большая - для дульной) и отковывали. После эт ого каж дую доску сгибали в т рубку внахлест и заваривали кузнечным спо­ собом шов по длине, устанавливая трубки на оправке и приме­ няя наковальню с круглыми выемками. Затем отковывали со ­ единяемые концы дульной и казенной т рубок так, чтобы в дульную т рубку м ог входить конец казенной, после чего обе трубки сваривались кузнечным способом на оправке.

Канал ствола рассверливали вручную. А наруэ/сную поверх­ ность обрабатывали напильником и на точиле. Наиболее от ­ ветственная работ а - сварка, т ребовала от маст ера большо­ го умения. Она обычно проводилась ночью, чтобы точнее опре­ делять т емперат уру нагрева.

Детали замка, штык и другие детали изготавливались такж е ковкой и ручной слесарной доводкой.

К концу XVII в. появилась более совершенная технология с применением вододействующих станков. Полная взаимозаменяе­ мость деталей обеспечивалась благодаря высокой квалификации рабочих, применению лекал и калибров. Появилось совершенное чертеэюное хозяйство. Для изготовлени винтовок Бердана и Мо­ сина были созданы станки позволившие наладить их массовое производство.

В последние десятилетия XVIII века несложное оборудова­ ние и примитивные инструменты вытесняли машины, полно­ стью заменившие искусные руки человека.

Это была настоящая револющия в промышленности: вместо ручного труда появилось машинное производство, вместо мел­ ких ремесленных мастерских - крупные промышленные пред­ приятия (фабрики).

Крупные машины можно эффективно использовать только при объединении совместно работающих людей. Это заложило основы для роста капиталистической системы производства, когда одному человеку или небольшой группе людей принад­ лежали все машины, здания и сырье, а другим - рабочая сила. Работу выполняли наемные рабочие, которые сами работодате­ лями, как правило, не становились.

Изменилось не только само производство. Изменились об­ щественные отношения, появились буржуазия и пролетариат.

8.3.2. История развития мануфактур

Первые мануфактуры в отдельных отраслях производства стали возникать в XV в. Их создавали крупные феодалы и коро­ ли. Крупные предприятия финансировались банкирами. Орга­ низация таких мануфактур была вызывана двумя обстоятельст­ вами. Во-первых, стремлением наладить собственное производ­ ство различных предметов в больших масштабах, и, во-вторых, производственной необходимостью, требующей для изготовле­ ния данной продукции кооперации ремесленников нескольких специальностей. В отдельных случаях мануфактуры возникли

также в результате борьбы феодалов и королей с цехами и го­ родами. В мануфактурах ремесленники одной специальности производили полуфабрикаты для других. В таких производст­ вах не было ремесленников-специалистов, умеющих изготавли­ вать весь предмет целиком, а потому не существовало цехов или гильдий, производящих данную продукцию. Мануфактуры были распространены в производстве шёлка, зеркал и др. Толь­ ко в мануфактуре стали получать железо при двухстадийном производстве, так как каждая стадия этого процесса требовала особых специалистов. Испания и Сицилия - первые европей­ ские страны, в которых возникли бумажные мануфактуры.

С формированием мануфактурного разделения труда возника­ ли элементы таких технических средств, которые в последующий период стали основой машинно-фабричного производства.

Еще в средние века мануфактуры стали возникать в различ­ ных отраслях промышленности. Во Франции в 1371 г. на одной ткацкой фабрике работало 120 ткачей. Приблизительно столько же печатников насчитывалось в 1450 г. в одном нюренбергском печатном дворе. Источники свидетельствуют, что некий Джек Ньюберийский построил ткацкую фабрику, где на 200 станках работало около 600 рабочих. К 1550 г. существовало несколько аналогичные предприятий, а к 1660 г. подобные мануфактуры в Англии перестали быть редкостью. Для сооружения рудника во времена Елизаветы Тюдор (1533-1603 гг.) требовалось около 100 фунтов стерлингов, а при Стюартах эта сумма возросла до нескольких тысяч фунтов стерлингов Пивоваренный завод сто­ ил в это время около 10 000 фунтов стерлингов Все это было лишь преддверием широкого перехода к мануфактурной систе­ ме производства в следующем веке.

Адам Смит (1723-1790 гг.), крупнейший представитель анг­ лийской школы классической политической экономики, в рабо­ те «Исследования о богатстве народов» (1776 г.) систематизи­ ровал свои взгляды по теории капиталистического хозяйства развитого мануфактурного периода. Вот как он описывал пре­ имущество разделения труда при производстве знаменитых английских булавок на мануфактуре. «Один рабочий тянет про­ волоку, другой выравнивает ее, третий обрезает, четвертый за­ остряет, пятый обтачивает верхушку для насадки головки. Вы­

делка головки сама по себе распадается на две или три отдель­ ные операции: особая операция - насадить ее, другая - отполи­ ровать булавку; совсем особое, самостоятельное занятие - упа­ ковка булавок в бумажки. Таким образом, главный труд срабо­ тать булавку распадается приблизительно на 18 различных опе­ раций, которые в некоторых заведениях исполняются каждая отдельными руками, тогда как на других один и тот же рабочий исполняет иногда по две и по три операции. Я видел одну такую маленькую мануфактуру, где работало только десять рабочих и потому некоторые из них исполняли, одну за другой, по две и по три операции.... эти десять рабочих успевали сработать вме­ сте более 48 000 булавок в день, на долю каждого приходилась одна десятая часть 48 000 булавок, т.е. можно считать, что каж­ дый рабочий сделал в день 4 800 булавок. Но если бы эти рабо­ чие работали в одиночку и независимо один от другого и если бы они не приспособились каждый к своей отдельной специ­ альности, то наверное ни один из них не сработал бы и 20 була­ вок, а может быть, и одной булавки за весь день...

Как делали иглы еще 100 лет назад

Долгое время игла была заостренной шпилькой с загнутым

ввиде уш ка концом. В начале XIV в. изобрели процесс волочения проволоки. Лучшие иглы стали изготавливаться в Германии

(Н юрнберг) и в Испании. В 1650 г. англичане изобрели машину для изготовления иголок и после эт ого долго удерж ивали гос­ подство на игольно-булавочном рынке. Сначала шла операция обрезки. Затем призводилась обкатка для снятия окалины, за ­ точка двух концов, проделка уш ка (штамповка, пробивка, шли­ фовка для снятия заусениц). Загот овку после эт ого разламыва­ ли на две половины, окончательно затачивали и производили закалку в несколько этапов.

В России промышленное производство иголок началось с указа Пет ра I, который гласил: «Велено игольным компанейщикам Сидору Томилину, Якову, Панкрату и Илье Рюминым игольный завод в Рязанском уезде или где похотят размно­ жить и русских людей тому игольному маст ерст ву обучать, а во учение брать в Москве, на Рязани и в селениях из бедных и малолетних, которые ходят по улицам и просят милостыни, и тем ученикам быть при том деле до совершенного возраст а...

6а на винтах изготавливалась вручную или ее заменяла прово­ лока, накрученная на стержень. С падением Римской империи это изобретение было забыто. П ервое письменное упоминание о винтах встречается в начале XV в. Достаточно широко гай­ ки и болты как крепелсные детали стали использоваться только в начале XVII в.

Вплоть до начала XIX в. не удавалось решить задачу произ­ водст ва единообразной резьбы на болтах и гайках. Нарезка мелких р езьб производилась на примитивных токарных стан­ ках. Крупная резьба до конца XVIII в. наносилась горячей ков­ кой. Кузнецы наносили удары по горячей загот овке болта спе­ циальным формообразующ им инструментом.

После усоверш енствования токарного станка меж ду 1800 и 1810 гг. появился способ производства винтов, отличающий­ ся высокой точностью. Винторезный станок стал на многие годы основным средством нанесения резьбы на крепеж ные из­ делия.

В середине XIX в. Уорд (США) создал станок для изготов­ ления гаек и болтов горячей ковкой. Загот овка в форме прутка нагревалась до температуры 870X1 и проходила через плашки для выдавливания резьбы . П озж е Уорд разработ ал аналогич­ ный станок для получения резьбы методом холодной пластиче­ ской деформации. Плашки должны были иметь повышенную прочность, а станок - достаточную мощность. Холодная на­ катка, обеспечивающая более прочную и более точную резьбу, является в настоящее время основным методом при массовом производстве гаек, болтов и винтов. В конце XIX в. массовое производство крепеж ных деталей перешло от станочной об­ работ ки прутковых загот овок к холодному мет оду формооб­ разования из проволоки или прутка.

В 1841 г. Витворт в Великобритании предложил первую систему унификации винтовых резьб. Он предложил, чтобы угол меэ/сду сторонами соседних витков был равен 55 ° а число витков на один дюйм долэюно было определяться диаметром болта или винта. Вершины витков резьбы и основания впадин должны были быть закруглены на 1/6 высоты исходного про­ филя. К 1881 г. система Витворта была принята в качестве

британского стандарта. В США работ ы по унификации р езь ­ бы стали проводиться Селлерсом с 1864 г. Селлерс считал, что угол в 5 5 ° трудно измерить. П оэт ому он предлагал заменить его на 60 °. Профиль винтовых р езьб долэ/сен иметь плоскую по­ верхность вершин и впадин и составлять 1/8 шага. Н есовмес­ тимость систем Витворта и Селлерса стала причиной т руд­ ностей с взаимозаменяемостью частей вооруэюения американ­ ской и английской армий во время двух мировых войн. Начиная с

1918 г. и до 1948 г. обе страны делали попытки привести эти системы в соответствие. Наконец, в • 1964 г. меэ/сдународная

конференция в Нью-Дели приняла две системы: систему дюймо­ вой резьбы и систему метрической резьбы, которые долэюны бы ­ ли заменить множ ество различных национальных систем.

Отметим еще одно ваэюное обстоятельство для обеспече­ ния надеж ной работ ы резьбовы х соединений: правильный спо­ соб затяж ки болтовых соединений. Очевидно, что завинчива­ ние должно производиться до момента, непосредственно предш ествующ его появлению остаточной деформации. При ручной зат яж ке крупные болты и гайки, как правило, недозатягиваются, а мелкие (до 16 мм) - перетягиваются. Для обес­ печения нормальной затяж ки используются специальные гаеч­ ные ключи и приспособления. В последнее время нашли широкое применение микропроцессоры и робот ы .

Большие успехи достигнуты в технологии покрытия инст­ рументов для производства крепежных деталей. Применяются различные методы обработки их поверхностей: цементация, азотирование, гальваническое покрытие. Разработана техноло­ гия нанесения тонкого слоя карбида титана или нитрида тита­ на химическим путем или методом осаждения. Такое покрытие придает инструменту высокую твердость. Кроме того, покры­ тие выполняет задачу смазки, уменьшающей трение меж ду об­ рабатываемой деталью и инструментом. Срок слуэ/сбы инстру­ ментов при этом повышается от трех до пяти раз.