28

10.В чем заключаются отрицательные последствия НТР?

11.Когда возникла необходимость инженерного образования?

Раздел 2. Развитие машиностроения

В этом разделе изучаются темы: «Эволюция двигателей», «Производство машин», «Технология машиностроения».

После изучения тем следует ответить на вопросы для самопроверки и вопросы теста. Если при ответах на вопросы возникнут затруднения, то следует обратиться к пособию [2], в котором материалы изложены более подробно.

2.1. Эволюция двигателей

Вопросы, изучаемые в этой теме:

–использование мускульной энергии человека;

–использование энергии ветра и текущей воды;

–тепловые двигатели (поршневые паровые машины, двигатели внутреннего сгорания, паровые турбины, газотурбинные двигатели);

–электродвигатели.

Начиная с неолита (800 тыс. лет до н.э.) человек начал свою трудовую деятельность. Единственным видом используемой энергии была мускульная энергия самого человека. Затем человек начал использовать животных в земледелии, и в повозках на колесах.

Во время перехода к рабовладельческому строю (в разных странах в разное время: на Востоке с конца IV до II тысячелетия до н.э., в Грузии – в V – IV вв. до н.э.) основным источником энергии была сила раба.

Постепенно рабство как источник энергии изживало себя. Восстания рабов, междоусобицы, нападения варваров привели к концу эпохи «мускульной энергетики».

29

Ремесленное производство в феодальном обществе зависело от мускульной силы, вся техника ремесла основывалась на ручном труде. Постепенно появилась кооперация ремесленников и мануфактурные предприятия (XIV – XV вв.), что вызвало необходимость в новых источниках энергии. Поиски их привели к широкому использованию ветра и текущей воды.

К середине XVIII в. появилось множество фабрик с приводом станков от водяных колес. КПД такого привода достигало 70 %. Их использовали для текстильных и металлообрабатывающих фабрик, железоделательных заводов и т.д. Однако использование колес имело свои недостатки. Прежде всего, они тихоходны. Кроме того, не во всех случаях можно было использовать энергию колес. Они ставились там, где были быстрые и полноводные реки. Шахты и карьеры, как правило, оставались без энергии. Ряд трудностей был вызван сменой времен года – сезонностью расхода воды, замерзанием рек.

Водная энергетика ускорила развитие производительных сил, но была не в состоянии успевать за их развитием. Это ставило вопрос о поисках источника энергии нового типа.

Ветряные мельницы появились позже водяных. В Европе они появятся в XII в. Ветряки имели лопасти, вращающиеся в горизонтальной плоскости. И только в XIV – XVI вв. ветряки приобрели традиционный вид с вертикальным ветровым колесом.

Ветряк был дешевле водяного колеса, но имел переменчивый энергоноситель – ветер. Поэтому ветряки распространились в районах, где не было быстрых рек – в Германии, России, Голландии, но они не могли быть источником энергии для промышленности.

Водяное колесо и гидроэнергетика сохранили свои преимущества там, где это позволяли природные условия. По КПД и стоимости эксплуатации гидродвигатель был гораздо выгоднее парового, так как не требовал расходов на топливо. Со временем производительность и число оборотов технологических машин повысились и привод от обычных водяных колес стал нецелесообразным.

30

Тепловые двигатели. Это двигатели, использующие энергию сжигаемого топлива:

–поршневые паровые машины;

–двигатели внутреннего сгорания;

–паровые турбины;

–газотурбинные двигатели.

Поршневые паровые машины. Первые удачные попытки создания паровых машин относятся к XVII – XVIII вв. (Д. Папен (1690 г.), Т. Сэвери (1698 г.), Т. Ньюкомен (1711 г.), И.И. Ползунов (1765 г.)).

Одной из первых построенных паровых машин (1690 г.) была пароатмосферная машина Дени Папена, который описал пароатмосферный цикл и изобрел паровой котел с предохранительным клапаном. В машине Папена имелся цилиндр с поршнем, в который до поршня заливалась вода. Вода подогревалась до получения пара, поднимавшего поршень до верхнего положения. После этого нагрев прекращали и холодной водой охлаждали цилиндр. Пар в цилиндре конденсировался, давление падало и атмосферным давлением поршень опускался, поднимая через систему блоков полезный груз.

Цилиндр был и котлом, и звеном рабочего механизма одновременно. Томас Сэвери создал паровой насос, в котором паровой котел был отде-

лен от цилиндра, но работа пара и его конденсация по-прежнему происходили в одном и том же сосуде. Машина была неэкономична (она потребляла до 80 кг угля на 1 л.с. в час), но широко использовалась в 18 веке. В 1707 году такая машина была приобретена Петром для снабжения водой фонтана Летнего сада.

Томас Ньюкомен усовершенствовал паровой насос, связав поршень с балансиром и штангой водоотливного насоса. Пар поднимал поршень. Охлаждаемая вода подавалась в цилиндр сверху, а не охлаждала его снаружи. Мощность машины составляла 8 л.с., а расход топлива – 25 кг угля на 1 л.с. в час. Машины Ньюкомена были приобретены Петром 1 для откачки воды из дока в Кронштадте.

Пароатмосферные машины и Севери, и Ньюкомена были громоздкими и имели малый коэффициент полезного действия ( ≈ 0,3%).

31

Иван Иванович Ползунов (1729 – 1766 гг.) – талантливый русский механик, сконструировал и построил первую паровую машины с универсальным тепловым двигателем в 1765 году. Она имела два цилиндра с поршнями и отдельный паровой котел, из которого пар поочередно поступал в два цилиндра через автоматический распределитель. Это первое применение автоматики в подобных машинах. Рабочее усилие непрерывно подавалось на общий шкив, вал которого передавал момент на привод заводских механизмов – насоса или воздуходувного механизма.

Это была первая универсальная машина, но она имела малый КПД ( ≈1%), и требовала большое количество топлива. После смерти создателя сломалась и была забытой.

Первые паровые устройства и машины имели низкий КПД, так как не было теоретических знаний о теплоте, давлении пара и т.д.

Английский механик Джеймс Уатт (1736 – 1819 гг.) создал паровую машину двойного действия. В этой машине пар, подаваемый попеременно в обе полости цилиндра, толкал поршень то в одну, то в другую сторону. При этом пар поступал в течение некоторой части хода поршня с последующим его расширением и конденсацией в холодильнике.

В машине Уатта преобразование поступательного движение поршня во вращательное движение выходного вала осуществлялось с помощью криво- шипно-ползунного механизма. Для управления машиной Дж. Уатт разработал центробежный регулятор. Использование маховика позволяло обеспечить равномерное вращение выходного вала двигателя.

Общий КПД машины равнялся 8% при давлении пара 0,25 атм. Машина Уатта не только откачивала воду, но и приводила в движение

станки, корабли и экипажи. Во второй половине 18 века устройство было отработано, оно нашла широкое применение в промышленности крупных стран. В России машины Уатта начали строить в 90-х гг. XVIII в. на заводах ВерхИсетском. Пожевском, Олонецком и заводе английского механика Чарльза Берда в Петербурге. Наличие такого двигателя послужило мощным толчком разви-

32

тия машиностроения, металлургии и других отраслей промышленности, а также транспорта. В течение почти всего 19 века поршневые машины оставались основными энергетическими машинами промышленности и транспорта, сохраняя принципиальное устройство машины Уатта. Однако система передачи энергии от парового двигателя к промышленному технологическому оборудованию была весьма сложной, громоздкой и неэкономичной. Мощная паровая машина, расположенная вне цехов в первом этаже заводского здания, вращала с помощью приводного ремня, проходящего через все этажи, систему валов. Под потолками вдоль цехов тянулись трансмиссионные валы со шкивами, от которых ременной передачей энергия передавалась к станкам. Создавалось нагромождение валов и ремней, которые заполняли цеховые пролеты, создавали шум и были небезопасны в эксплуатации.

В начале 20 века поршневые машины вследствие низкого КПД (10 – 11%) перестали использоваться в промышленности.

Двигатели внутреннего сгорания. Паровым двигателям необходим генератор рабочего тела – пара, тепловая энергия которого превращается в механическую. Таким генератором является паровой котел. Это делало паросиловые установки в составе котла и двигателя громоздкими и непригодными на начальном этапе развития к использованию при необходимости получения большой мощности на единицу массы двигателя.

Идея объединения в одно целое генератора рабочего тела, получающегося путем сгорания топлива, и рабочей машины, превращающей тепловую энергию рабочего тела в механическую, породила двигатель внутреннего сгорания (ДВС) с горением топлива внутри цилиндра машины. Однако до XVII в. не было подходящего для ДВС топлива.

Первым двигателем, получившим довольно широкое распространение стал двигатель, разработанный и испытанный в 1860г. французским механиком Этьеном Ленуаром (1822 – 1900 гг.). Он изобрел двухтактный горизонтальный двигатель внутреннего сгорания двойного действия.

33

Принцип четырехтактного двигателя на легком топливе, в котором горючая смесь перед воспламенением предварительно сжималась, что увеличивало экономичность двигателя, был предложен французским инженером А. Бо де Рошем (1815 – 1890 гг.) в 1862 г. и реализован немецким конструктором Н. Отто (1832 – 1891 гг.) и Э. Лангеном (1833 – 1895 гг.) в 1876 г. Первый двигатель Отто имел мощность 3 л.с. при 180 об/мин.

В XX в. шло непрерывное конструктивное совершенствование ДВС, связанное с развитием авто- и самолетостроения, военной техники. Появились многоцилиндровые V-образные и звездообразные двигатели, совершенствовались карбюраторы. Строились двигатели как с водяным, так и с воздушным охлаждением.

Немецкий инженер Р. Дизель (1858 – 1913 гг.) в 1892 г., выдвинул идею создания «рационального теплового двигателя», получил патент на него и построил в 1897 г. Это был ДВС с высокой степенью сжатия, механическим распылителем (компрессорное распыление топлива сжатым воздухом Дизель реализовать не смог, но позднее оно широко применялось) и самовоспламенением от сжатия. Такие двигатели по фамилии изобретателя получили название «дизель».

Двигатель внешнего сгорания. Принцип действия этих двигателей изложен в [1].

Паровые турбины. По сравнению с паровой машиной турбина является более совершенным двигателем. В ней нет кривошипно-ползунного механизма. С помощью турбин можно получить значительные мощности и скорости вращения парового колеса, применяя пар высокого давления (300 атм) и обеспечивая температуру перегрева 650°С. Поэтому в конце XIX в. паровая турбина становится основным двигателем на электростанциях и других мощных установках. Активная работа над созданием паровой турбины на основе термо- и газодинамики началась в конце XIX в. Наиболее удачные решения были даны шведом К. Лавалем (1845 – 1912 гг.) и англичанином Ч. Парсонсом (1854 – 1931 гг.).

Первый патент на реактивную турбину простейшего типа Лаваль получил в 1883 г. В 1889 г. Лаваль запатентовал одноступенчатую активную тур-

34

бину, состоящую из рабочего колеса с большим числом вогнутых лопаток, на которые из четырех паровых сопел подавался пар.

В1910 г. единичная мощность паротурбинного агрегата не превышала 25000 кВт. В 1950 г. она повысилась уже до 100...150 МВт. Для обеспечения экономичности паровых турбин путем повышения КПД и снижения удельного расхода пара в современных турбинах увеличены давление и температура пара. Используется пар с параметрами 13...24 МПа и 560°С. При этом КПД достиг 40% (против 5...6% на первых электростанциях и 9...11% в начале 20-х гг.). Дальнейшее повышение параметров пара затруднительно, так как требует использования более совершенных материалов и глубокой деминерализации воды.

Газотурбинные двигатели. Во второй половине XX в. с поршневыми ДВС успешно конкурирует газовая турбина и турбореактивный двигатель с газовой турбиной. История создания газотурбинного двигателя неразрывно связана с развитием авиации.

В1791 г. англичанин Д. Барбер запатентовал тепловой двигатель, в котором горючая смесь воздуха и газа нагнеталась в камеру сгорания, а продукты сгорания из нее непрерывно поступают на лопатки колеса турбины. Это полностью соответствует принципиальному устройству современного газотурбинного двигателя. Барбер надолго опередил технические возможности своего времени.

Причиной разработки ГТД в 30-х гг. был кризис поршневых двигателей

вавиации. Фирма Хейнкеля разработала и испытала первый опытный образец газотурбинного двигателя HeS-1 уже в 1937 г.

ВСССР работы по созданию ГТД велись А.А. Микулиным, В.Я. Климовым, A.M. Люлькой и другими. Первый авиационный ГТД с жидкостным охлаждением был спроектирован в СССР в 1936 г. и испытан в 1938 г. под руководством B.B. Уварова (1899 – 1977 гг.).

Одновременно с авиационными ГТУ в 30-е гг. велись работы по созданию стационарных, а с 1945 г. – транспортных установок.

Самое большое распространение получили стационарные ГТУ, работающие в качестве привода центробежных нагнетателей газа на газоперекачиваю-

35

щих компрессорных станциях, входящих в состав магистральных газопроводов. Электродвигатели. Открытия середины XIX в. подготовили почву применения теории электричества и магнетизма в технических устройствах конца XIX и начала XX в. (электрические машины, электрические передачи,

электросварка, радиотехника и т.д.).

Открытия X. Эрстедом и Д. Араго электромагнетизма, законов электродинамики А. Ампером в 1822 г. и электромагнитной индукции М. Фарадеем в 1831 г. создали предпосылки создания электродвигателей для преобразования электрической энергии в механическую.

Первый двигатель постоянного тока с электромагнитным возбуждением, получивший практическое использование, был создан Б.С. Якоби в 1834 г.

Принцип действия асинхронного двигателя впервые был продемонстрирован Д. Араго (1824 г.).

М.О. Доливо-Добровольский (1862 – 1919 гг.) создал систему трехфазного тока и в 1889 г. построил трехфазный асинхронный двигатель.

Параллельно шли разработки генераторов. Первый промышленный генератор был спроектирован в 1891 г. главным инженером фирмы «Эрликон» Ч. Броуном в сотрудничестве с Доливо-Добровольским для передачи электроэнергии Лауфен – Франкфурт.

С конца XIX в. синхронные генераторы стали использоваться на электростанциях. Вначале привод генераторов осуществлялся от быстроходных поршневых машин, но в 1899 г. на электростанции г. Эльберфельда впервые были установлены многоступенчатые турбины Ч. Парсонса, приводившие во вращение синхронные генераторы по 1000 кВт.

Таким образом, в конце XIX в. были созданы основные типы электрических машин, способные обеспечить привод технологических промышленных установок – двигатели и генераторы постоянного и переменного тока.

Электродвигатели оказались значительно экономичней, компактней, надежней и безопасней в работе, чем паровая машина с трансмиссиями. Вначале появился групповой электропривод, заменивший мощный единый паро-

36

вой двигатель. При этом сохранились трансмиссии небольших групп технологических машин (станков) с достаточно мощным электродвигателем, однако групповой электропривод оказался неспособным обеспечить надежность работы групп станков. Поэтому в начале XX в. групповой электропривод стал заменяться индивидуальным электроприводом каждой отдельной технологической машины. Это чрезвычайно упростило конструкции технологических машин и сделало ненужными громоздкие ременные трансмиссии.

Таким образом, можно выделить основные направления, по которым велись поиски более совершенных машин-двигателей, начиная с паровой машины.

Первое направление – разработка способа непосредственного преобразования энергии топлива в механическую энергию вращающегося кривошипа, минуя промежуточное превращение воды в пар, поскольку оно приводило к большим потерям энергии. Это направление привело к созданию двигателя внутреннего сгорания, включая двигатель дизельного типа.

Второе направление – непосредственное получение вращательного движения с помощью улучшения древнейшего принципа машины, заложенного в водяном колесе. Здесь результат поисков реализовался сначала в водяной турбине, затем в турбине, в которой рабочим телом стал пар, а уже в

XX в. – газ.

Третье направление связано с освоением нового вида энергии – электрической – для работы механизмов. Проблема создания электрического двигателя была связана с другой не менее важной проблемой – передачей электроэнергии на расстояние.

2.2. Производство машин

Вопросы, изучаемые в этой теме:

–техника производства машин;

–машиностроительное производство;

–гибкие автоматизированные производства.

37

Техника производства машин. Еще в эпоху неолита перед человеком возникла проблема обработки каменных орудий, высверливания в них круглых отверстий. Это явилось причиной создания устройств, использующих для обработки вращение инструмента. Постепенно эти устройства превратились в абразивный станок с инструментом (точильным камнем) на валу, вращаемом рукоятью. На таком станке обрабатывались как каменные, так и металлические предметы. В начале н.э. привод вала станка осуществлялся уже кривошипом с педалью. В XV в. на вал с точильным камнем установили шкив, который ремнем соединялся с источником энергии – водяным колесом или конным приводом. Примерно в V в. до н.э. был сделан станок, в котором вращалась уже деталь, а инструмент был неподвижен и находился в руках мастера – прототип токарного станка. Вращение детали осуществлялось с помощью лука, тетива которого была обведена вокруг детали. Такие станки были хорошо известны и использовались египтянами, греками и римлянами. В XIV в. для движения веревки, как и раньше намотанной на обрабатываемую деталь, была использована педаль. Позднее на токарный станок установили педальный привод.

Первый строгальный станок был создан во Франции в 1719 г. Де ла Гиром. Станок имел движущийся вертикально стол, неподвижный резец и приводился педальным приводом. В 1751 г. французским механиком Н. Фоком был построен строгальный станок с неподвижным столом и движущимся резцом. Привод станка осуществлялся вручную вращением маховика.

Появление станков создавало предпосылки возникновения машиностроения.

Входе промышленной революции XVIII в. возникла потребность в изготовлении большого количества точных и однотипных деталей. Это сразу предъявило требования к повышению качества и эффективности обработки металлов.

ВXVII в. практически одновременно в трех странах (во Франции, Голландии и Германии) на токарных станках появились особые приспособления – резцедержатели. Резец во время обработки мастера перестали держать в руках. Это намного облегчило труд, повысило точность обработки и ее производительность.

38

Металлообработка в то время в основном производилась при изготовлении оружия, которое к XVIII столетию представляло собой довольно сложный механизм, состоящий из большого количества деталей. До этого времени существовал только один способ сборки – индивидуальная подгонка собираемых деталей, так как практически каждое изделие делалось индивидуально.

В целях устранения подобных трудностей возникло производство запасных частей к различным механизмам, в частности к оружию, которое наиболее часто выходило из строя. Это повлекло за собой ужесточение требований к качеству обработки деталей, а также необходимость специализации цехов предприятия по видам выпускаемых деталей и организационного отделения сборки изделий от изготовления их деталей.

Поэтому в конце XVII – начале XVIII вв. на Тульском оружейном заводе было впервые организовано производство унифицированных взаимозаменяемых деталей. Для обеспечения взаимозаменяемости в начале XVIII в. были впервые применены медные калибры и лекала для обработки сопрягаемых деталей. В Западной Европе унификация и взаимозаменяемость деталей машин были внедрены только в 1835 – 1840 гг. инженерами-изобретателями Э. Уитни и С. Нортом.

Реализация этих новшеств свидетельствует о достаточно высокой культуре производства и о соответствующем уровне технологии. Использование калибров и лекал предполагает унификацию и стандартизацию изделий, что неизбежно ведет к унификации средств технологического оснащения. Отметим здесь, что способность предприятия освоить изготовление калибров говорит о наличии высокоточного оборудования и инструмента, а также квалифицированных исполнителей.

В 1717 г. А.К. Нартов создал для токарного станка механический суппорт, который мог перемещаться вдоль оси вращающейся детали с помощью зубчатого колеса и зубчатой рейки. Так токарный станок получил практически современный вид. Значительно повысились точность и производительность обработки. Появилась возможность создания токарно-винторезного станка, спо-

39

собного нарезать различные резьбы при механическом перемещении резца.

В90-е гг. XVIII в. англичанин Генри Модсли создал токарно-винто- резный станок с самоходным суппортом – появилась автоматическая, равномерно работающая подача. Это усовершенствование суппорта вскоре привело к появлению новых типов токарных, строгальных, сверлильных и шлифовальных станков с механической подачей, что подготовило условия для изобретения фрезерного станка.

Эскиз фрезы – инструмента для обработки плоских поверхностей – был выполнен еще Леонардо да Винчи. Фреза представляет собой несколько резцов, расположенных по окружности стержня. Вращение фрезы и перемещение ее или заготовки по горизонтали позволяет обрабатывать резанием плоские поверхности. Такая механическая обработка называется фрезерованием. Считается, что фрезу впервые изготовили и применили во Франции, назвав ее почемуто «клубникой» – по-французски «фрейз», а по-русски – «фреза».

Впервой половине XVIII столетия были освоены следующие технологические методы: токарно-копировальное точение, глубокое сверление, машинное и ручное нарезание резьб, зубообработка, шлифование.

Паровые двигатели ускорили развитие металлообработки, так как они стали применяться в качестве привода металлорежущих станков. Исчезла зависимость металлообработки от гидросооружений. Паровой двигатель мог обеспечить практически любую мощность металлообрабатывающему оборудованию. Появилась возможность проектировать и изготавливать крупные станки для обработки тяжелых и крупногабаритных заготовок. Обычно одна мощная паровая машина-двигатель приводила в движение несколько металлообрабатывающих станков участка или цеха. При этом паровая машина вращала через ременную передачу общий вал трансмиссии. Каждый станок был связан с этим валом ременной передачей. Недостаток такой схемы заключается в том, что все станки останавливались в случае поломки или остановки самой паровой машины.

40

Как уже отмечалось, новый этап в развитии технологических машин связан с появлением электродвигателей. Групповой привод стал заменяться индивидуальным для каждой технологической машины.

Машиностроительное производство. Машиностроительное производ-

ство определяет уровень техники конца XX в. и одновременно является результатом ее развития. НТР породила новые виды оборудования и формы организации производства, постепенно вытесняющие старые.

Вследствие этого в машиностроительном производстве конца XX в. просматриваются ряд тенденций:

•внедрение многооперационных обрабатывающих центров с инструментальными магазинами и электронным управлением;

•использование автоматизированного межоперационного транспорта и роботов, системы автоматизированного контроля;

•внедрение в системы управления оборудования адаптивных принципов управления;

•внедрение систем автоматического проектирования технологических процессов, методов оптимизации технологических процессов по достигаемой точности, производительности и экономичности при обеспечении высоких эксплуатационных качеств и надежности работы машины;

•создание систем автоматизированного управления сложными техническими объектами и технологическими процессами с оптимизацией параметров;

•переход к роботизированным технологическим комплексам (РТК) и гибким автоматизированным производствам (ГАП), отказ в ряде случаев от автоматических линий.

Существует ряд определений роботов, из которых наиболее точным является определение американского робототехнического института: промышленный робот (ПР) является многофункциональным перепрограммируемым манипулятором, предназначенным для осуществления заранее заданных перемещений материалов, деталей, инструментов или специальных приспособлений с целью выполнения различных работ.

41

По выполняемым функциям ПР делятся на технологические и вспомогательные (обслуживающие). Технологические ПР специализируются по типу выполняемых операций. Широко распространенными являются ПР, предназначенные для сварочных работ (в частности, применяемые в автомобильной промышленности), для окраски и нанесения покрытий, операций измерения и контроля изделий.

Вспомогательные ПР предназначаются для переноса заготовок, деталей, узлов оборудования, инструмента и т. д. Эти роботы обычно более просты по схеме, управлению и конструкции, чем технологические роботы.

Использование роботов в сочетании с автоматизированным оборудованием, транспортными системами и складами позволяет создать роботизированные технологические комплексы (РТК) с высокой степенью автоматизации, но не обладающие высокой «гибкостью».

Гибкие автоматизированные производства. Принципиально новые возможности повышения эффективности промышленного производства во всех его отраслях открываются при переходе к организации технологических процессов по принципам гибкого автоматизированного производства (ГАП).

Основу принципов ГАП составляют:

•использование методов управления, обеспечивающих гибкость, то есть оперативную перестройку производств;

•использование в производстве автоматизированных узлов управления оборудованием, технологическими линиями, участками, цехами и т.п. в виде комплексов программного управления.

ГАП механической обработки разделяются на операционные и комплексные. Операционные ГАП охватывают отдельные операции технологических процессов (например, токарные). Комплексные ГАП подразделяются по виду изготовляемых изделий: производство валов, колец и т.д.

42

2.3. Технология машиностроения

Вопросы, изучаемые в этой теме:

–стандартизация и взаимозаменяемость – важный этап в развитии технологии машиностроения;

–развитие науки о резании металлов;

–принцип типизации технологических процессов.

Важным этапом для технологии явилось внедрение стандартизации и взаимозаменяемости деталей машин. В конце XIX столетия на рабочих чер-

тежах деталей впервые появились допуски на размеры. Качество детали получило количественную оценку. Стал возможен расчет посадок и зазоров сопрягаемых в изделии деталей и их раздельное изготовление. Упростился и ускорился процесс сборки машин, так как отпала необходимость во взаимной подгонке деталей при сборке изделия. Появилась реальная основа для взаимозаменяемости деталей машин без какой-либо доработки по месту.

Принцип взаимозаменяемости деталей машин позволил Генри Форду в начале ХХ в. на своих заводах в США внедрить конвейерную сборку автомобилей и их двигателей. Это мероприятие позволило децентрализовать технологический процесс сборки на множество мелких операций и связать потоком изделий разные рабочие места.

Такой подход дал следующие результаты:

–максимально снизились трудоемкость каждой отдельной технологической операции и требования к квалификации ее исполнителей;

–практически до нуля сократилось время нахождения деталей в местах промежуточного складирования, поскольку они сразу использовались в изделии; высокая скорость движения конвейера задавала темп не только сборки изделий, но и изготовления деталей;

–появилась возможность суточного планирования программ выпуска различных деталей, производство стало более ритмичным и организованным.

43

Уже к середине XIX в. многим исследователям становится понятно, что процесс резания металлов представляет собой совокупность сложных физических явлений. К ним, прежде всего, относят пластическую деформацию материала заготовки с его последующим разрушением и тепловые явления резания. Было замечено, что качество обработанных поверхностей детали зависит от многих, часто противоречивых факторов, в частности, от ее частоты вращения, от крепления заготовки на станке, от качества заточки режущего инструмента.

Первые наиболее полные и обширные труды по теории резания опубликовал в 1870 г. русский профессор И.А. Тиме.

На примере строгания различных материалов И.А. Тиме дал теоретическое обоснование процесса стружкообразования, классифицировал типы стружек на элементную, суставную, сливную и с надломами. Он же дал описание усадки стружки, вывел формулу силы резания, объяснил причины вибраций, ввел понятие угла скалывания стружки и определил его зависимость от переднего угла режущей части инструмента.

В1885 г. профессор И.А. Тиме издал первый в России и за рубежом капитальный труд по технологическим основам металлообработки. Этот труд в трех томах вышел под названием «Основы машиностроения. Организация машиностроительных фабрик в техническом и экономическом отношении и производство в них работ».

Дальнейшее развитие теория резания получила в трудах русского ученого К.А. Зворыкина. На примере продольного строгания он обосновал схему сил, действующих на резец, установил аналитическое выражение удельной силы резания и угла сдвига стружки в зависимости от факторов стружкообразования. Это позволило в дальнейшем создать методику прочностных расчетов режущего инструмента и разработать учение о конструировании исполнительных механизмов металлорежущих станков.

В1912 – 1915 гг. отечественный ученый Я.Г. Усачев исследовал физические процессы, происходящие при стружкообразовании. Изучая тепловые явления процесса резания металлов, он измерял температуру на лезвии режущего

44

инструмента, на основании металлографического анализа процесса стружкообразования разработал теорию наростообразования, обнаружил и описал явление наклепа обработанной поверхности детали.

Рост требований к прочности, износостойкости, жаропрочности и к другим эксплуатационным характеристикам изделий машиностроения привел к появлению высокопрочных материалов, в том числе легированных сталей, жаропрочных сплавов, а также к применению нетрадиционных материалов, например таких, как титан и другие. В связи с этим появилась необходимость в новых инструментальных материалах, способных обработать прочные и особо прочные конструкционные материалы.

Внимание исследователей в начале 20-х гг. прошлого столетия привлекли методы резания металлов твердосплавным инструментом. Так, в 1926 г. впервые были изготовлены металлокерамические карбидовольфрамовые твердые сплавы. Основу таких материалов составляют кристаллы карбида вольфрама и связующее вещество – кобальт. Режущий инструмент стал оснащаться пластинами из твердого сплава, который получают методом порошковой металлургии.

В конце 30-х гг. прошлого века профессор А.П. Соколовский впервые сформулировал принципы типизации технологических процессов: «Типиза-

цией технологических процессов называется такая технология, которая заключается в классификации технологических процессов деталей машин и их элементов и затем в комплексном решении всех задач, возникающих при осуществлении процессов каждой классификационной группы».

Идея типизации нашла широкое применение в построении технологических процессов на предприятиях машиностроения. Типизация коснулась технологических процессов, технологических операций, приспособлений, наладок приспособлений, режущего инструмента и других средств технологического оснащения. Были разработаны различные системы классификации деталей и оснастки, различные поисковые системы.

Типизация технологических процессов сыграла положительную роль на

45

предприятиях автотракторной и станкостроительной промышленности, где высок уровень группируемости обрабатываемых деталей. На предприятиях с высокой, часто меняющейся номенклатурой деталей типизация технологических процессов, к сожалению, эффекта не дала. Однако идея типизации процессов развилась в идею групповой технологии, которая лежит в основе так называемой гибкоструктурной технологии.

Вопросы для самопроверки

1.Когда и в связи с чем возникла острая необходимость в источниках энергии альтернативных мускульной энергии?

2.Какие недостатки связаны с использованием водяного колеса?

3.Кто и когда получил патент на универсальный тепловой двигатель?

4.Почему к началу ХХ в. паровые двигатели перестали использоваться в промышленности?

5.В чем основное преимущество паровых турбин перед поршневыми паровыми двигателями?

6.В чем заключается основной недостаток паровых двигателей (поршневых и турбинных)?

7.Какую мощность имеет первый двигатель внутреннего сгорания Отто?

8.Когда и кем была впервые предложена идея газотурбинного двигателя?

9.Какой привод использовался в первых металлорежущих станках?

10.Станки XVIII в. Почему так велика роль изобретения суппорта?

11.Что вызвало коренное изменение техники производства машин?

12.В чем заключается основная заслуга англичанина Г. Модсли?

13.В чем состоит различие между автоматом и полуавтоматом?

14.В чем состоит преимущество агрегатных станков перед узкоспециализированными полуавтоматами?

15.Каковы функции промышленного робота?

16.Что входит в роботизированный технологический комплекс (РТК)?