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» (Маркс К., Энгельс Ф. Соч., т. 23, с. 396 ). 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.
Токарный (фузейный) станок 1741 г. по Тиу
Создание механического суппорта положило начало широкому применению станков. Для работы на немеханизированном токарном станке, несмотря на его простоту, необходимо было, помимо чисто профессионального умения, обладать недюжинной силой, чтобы удержать в руках резец при обработке металла. Любое неожиданное отклонение от требуемой формы в результате случайности, какого-то толчка и т. п. зачастую приводило к необходимости перетачивать деталь по всей длине.
К идее механизированного передвижения резца машиностроители шли долго. Впервые эта идея возникла при решении таких технических задач, как нанесение резьбы, сложных узоров на предметы роскоши, изготовление зубчатых колес и т. д. Для получения резьбы на валу, например, необходимо было сначала произвести разметку; этого обычно достигали, навивая на вал бумажную ленту нужной ширины, по краям которой на вал наносили контур будущей резьбы. После разметки вал опиливали по контуру вручную напильником. Это длительный, сложный и трудоемкий процесс; кроме того, получаемое качество далеко не всегда бывало удовлетворительным, так как абсолютное соответствие размеров и форм зубьев резьбы труднодостижимо.
В середине XVIII в. идея механизированного передвижения резца была воплощена в различных конструкциях станков часовых мастеров. Однако все эти станки имели тот недостаток, что они были специализированными и их использование в ведущих отраслях формировавшейся тогда промышленности было затруднительно. Эта техническая проблема могла быть решена созданием универсального станка с суппортом.
В книге А. Тиу (1741 г.) приведено несколько схем токарных станков часовых мастеров. Наиболее сложными для обработки деталями в часовых механизмах были фузеи (навойки). Фузеи имели сложную улиткообразную форму, определяемую опытным путем. Они предназначались для компенсации неравномерности натяжения пружины. Получить вручную эту деталь было сложно, поэтому и были созданы специальные станки. Приведенные в книге станки имеют резцедержатели. Первый станок, помимо шагового винта, снабжен еще и сменными шестернями. Поперечная подача обеспечивается рычажным перемещением резца. Качество изготовления фузеи зависело от опытности рабочего.
Токарный станок французских часовых мастеров 1741 г. по Тиу
Кроме того, дано описание винторезного станка, снабженного механическим суппортом, приводимым в движение с помощью ходового винта, находящегося на одной оси со шпинделем. Станок был из металла. Система рычагов заменяла схему привода со сменными шестернями (смена шага резьбы производилась изменением плеч рычагов).
В 1763 г. в Париже была напечатана книга Ф. Берту , тоже посвященная часовому производству. В ней приведены две схемы станков часовых мастеров. Оба станка выполнены на весьма высоком техническом уровне, изготовлены из металла, их отличает высокая точность и простота управления.
При работе на фузейном станке, описанном Ф. Берту, квалификация рабочего не имеет большого значения, так как в его функцию входит только привести станок в движение и прижать резец к копиру (одна фузея нарезается в несколько заходов из необработанной болванки). Форма фузеи соответствует форме сменного копира, шаг нарезки определяется углом наклона подающего бруса. Передвижение суппорта с резцедержателем в продольном направлении механическое. Эти станки интересны тем, что они предназначались в основном для обработки металлов и отличались значительной точностью. Кроме того, на них уже обрабатывали серийные детали.
В 1771 г. в иллюстрациях к «Энциклопедии» Дидро и Д"Аламбера приведена вполне работоспособная конструкция резцовой каретки, использовавшаяся на орнаментальных станках. Правда, в этих станках не использовался принцип механического передвижения суппорта вдоль изделия, примененный на станках А. К. Нартова (см. главу X) и на станках французских часовых мастеров. В «Энциклопедии» приводится вид токарной мастерской, в которой использовались только токарные станки без крепления режущего инструмента. По-видимому, резцедержатели использовались на орнаментальных и точных станках, а большинство работ выполняли на ручных станках.^
Вторая половина XVIII в. ознаменовалась резким увеличением сферы применения металлорежущих станйов и поисками удовлетворительной схемы универсального токарного станка, который мог использоваться в различных целях и позволял решать целый комплекс технических задач. Подобно тому, как на базе более ранних пароатмосферных машин Дж. Уатт создал свой универсальный двигатель, универсальный токарный станок строился на опыте эксплуатации первых станков с механизированным передвижным суппортом.
В 1751 г. Ж. Вокансон во Франции построил очень интересный станок, который по своим техническим данным уже походил на универсальный. Он был выполнен из металла, имел мощную станину, два металлических центра, две направляющие F-образной формы, механизированное перемещение медного суппорта в продольном и поперечном направлениях. В то же время в этом станке отсутствовала система зажима заготовки в патроне, несмотря на то, что это устройство уже существовало в более ранних конструкциях станков французских часовых мастеров. Заготовка на станке Вокансона крепилась в центрах, доступ к которым был затруднен находящимися с обеих сторон стойками. Неясна система привода вращения и связь ее с системой перемещения резца. Станок сохранился до наших дней (экспонируется в Лувре), но неизвестно, для выпуска каких деталей он предназначался. Можно предположить, что это был специализированный станок, на котором обрабатывались детали одного определенного типа, так как система крепления не предусматривала возможности зажима заготовок разного размера (расстояние между центрами, в которых крепилась заготовка,- около 1 м, а задний центр мог быть передвинут лишь примерно на 0,1 м).
Токарный (фузейный) станок 1763 г. по Берту (Франция)
Заслуживает внимания также и станок другого французского механика - Сено, изготовленный в 1795 г. Конструктор предусмотрел сменные шестерни, большого размера винт (длиной более 1 м и диаметром более 50 мм), простой механизированный суппорт. Станок специализированный - для нарезки и доводки винтов. Все части станков Сено и Вокансона имели высокое качество обработки, на них не было украшений, как это было принято делать раньше.
В 1778 г. англичанин Д. Рамсден предложил два типа станков для нарезания резьб. В первом станке вдоль вращаемой детали по параллельным направляющим передвигался алмазный режущий инструмент, перемещение которого задавалось вращением эталонного винта. Станок позволял при одном эталоне получать гамму резьб за счет смены шестерен. Второй станок давал возможность изготовлять резьбу с различным шагом на детали большей длины, чем длина самого эталона. Резец продвигался вдоль заготовки с помощью струны, накручивавшейся на центральную шпонку. Эти станки уже включали элементы универсального токарного станка, но все же они не могли использоваться как универсальные.
Расточный станок Д. Смитона 1769 г. (Англия)
На процесс создания таких станков влияли опыт изготовления и эксплуатация других видов металлообрабатывающего оборудования. К ним относятся сверлильные и расточные станки. До середины XVIII в. использовались довольно простые типы этих станков, которые применялись главным образом в оружейных мастерских.
Традиционные методы рассверловки заготовок удовлетворяли промышленность до тех пор, пока отверстия были относительно малы (до 180 мм), но для больших диаметров потребовались другие станки. Необходимость таких работ была связана прежде всего с созданием паровых машин. Уже первые машины Ньюкомена имели диаметр цилиндра порядка 500 мм при значительной длине (около 3 м). Более поздние модели паровых машин имели еще более значительные размеры. Несовершенство тогдашних расточных станков вынудило Дж. Уатта изготавливать цилиндр для своей первой паровой машины кованым. Для обработки деталей типа цилиндров паровых машин английский инженер Д. Смитон создал в 1769 г. станок, в котором борштанга была закреплена с двух сторон. Однако опорная тележка, поддерживающая борштан-гу, не обеспечивала достаточной точности (максимальная точность - 3/8 дюйма, т. е. 10 мм) и параллельность по всей длине, так как передвигалась внутри обрабатываемого цилиндра .
Суппорт орнаментального станка (из энциклопедии Дидро и Д"Аламбера) (1771 г.)
Полностью решить проблему расточки цилиндров практически любых размеров удалось только английскому механику Д. Вилкинсону в 1775 г., когда он построил на Бершемском заводе станок, в котором борштанга закреплялась с двух сторон в жестко закрепленных подшипниках скольжения и передвигалась вдоль цилиндра с помощью винтовой передачи. Станок Вилкинсона полностью удовлетворял Уатта, так как на нем растачивались детали диаметром более 1 м, причем зазор между цилиндром и поршнем «не превышал толщины шестипенсовой монеты» (примерно 1,5 мм). Это считалось тогда неплохим результатом.
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» (Маркс К., Энгельс Ф. Соч., т. 23, с. 396 ). 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.
Токарный (фузейный) станок 1741 г. по Тиу
Создание механического суппорта положило начало широкому применению станков. Для работы на немеханизированном токарном станке, несмотря на его простоту, необходимо было, помимо чисто профессионального умения, обладать недюжинной силой, чтобы удержать в руках резец при обработке металла. Любое неожиданное отклонение от требуемой формы в результате случайности, какого-то толчка и т. п. зачастую приводило к необходимости перетачивать деталь по всей длине.
К идее механизированного передвижения резца машиностроители шли долго. Впервые эта идея возникла при решении таких технических задач, как нанесение резьбы, сложных узоров на предметы роскоши, изготовление зубчатых колес и т. д. Для получения резьбы на валу, например, необходимо было сначала произвести разметку; этого обычно достигали, навивая на вал бумажную ленту нужной ширины, по краям которой на вал наносили контур будущей резьбы. После разметки вал опиливали по контуру вручную напильником. Это длительный, сложный и трудоемкий процесс; кроме того, получаемое качество далеко не всегда бывало удовлетворительным, так как абсолютное соответствие размеров и форм зубьев резьбы труднодостижимо.
В середине XVIII в. идея механизированного передвижения резца была воплощена в различных конструкциях станков часовых мастеров. Однако все эти станки имели тот недостаток, что они были специализированными и их использование в ведущих отраслях формировавшейся тогда промышленности было затруднительно. Эта техническая проблема могла быть решена созданием универсального станка с суппортом.
В книге А. Тиу (1741 г.) приведено несколько схем токарных станков часовых мастеров. Наиболее сложными для обработки деталями в часовых механизмах были фузеи (навойки). Фузеи имели сложную улиткообразную форму, определяемую опытным путем. Они предназначались для компенсации неравномерности натяжения пружины. Получить вручную эту деталь было сложно, поэтому и были созданы специальные станки. Приведенные в книге станки имеют резцедержатели. Первый станок, помимо шагового винта, снабжен еще и сменными шестернями. Поперечная подача обеспечивается рычажным перемещением резца. Качество изготовления фузеи зависело от опытности рабочего.
Токарный станок французских часовых мастеров 1741 г. по Тиу
Кроме того, дано описание винторезного станка, снабженного механическим суппортом, приводимым в движение с помощью ходового винта, находящегося на одной оси со шпинделем. Станок был из металла. Система рычагов заменяла схему привода со сменными шестернями (смена шага резьбы производилась изменением плеч рычагов).
В 1763 г. в Париже была напечатана книга Ф. Берту , тоже посвященная часовому производству. В ней приведены две схемы станков часовых мастеров. Оба станка выполнены на весьма высоком техническом уровне, изготовлены из металла, их отличает высокая точность и простота управления.
При работе на фузейном станке, описанном Ф. Берту, квалификация рабочего не имеет большого значения, так как в его функцию входит только привести станок в движение и прижать резец к копиру (одна фузея нарезается в несколько заходов из необработанной болванки). Форма фузеи соответствует форме сменного копира, шаг нарезки определяется углом наклона подающего бруса. Передвижение суппорта с резцедержателем в продольном направлении механическое. Эти станки интересны тем, что они предназначались в основном для обработки металлов и отличались значительной точностью. Кроме того, на них уже обрабатывали серийные детали.
В 1771 г. в иллюстрациях к «Энциклопедии» Дидро и Д"Аламбера приведена вполне работоспособная конструкция резцовой каретки, использовавшаяся на орнаментальных станках. Правда, в этих станках не использовался принцип механического передвижения суппорта вдоль изделия, примененный на станках А. К. Нартова (см. главу X) и на станках французских часовых мастеров. В «Энциклопедии» приводится вид токарной мастерской, в которой использовались только токарные станки без крепления режущего инструмента. По-видимому, резцедержатели использовались на орнаментальных и точных станках, а большинство работ выполняли на ручных станках.^
Вторая половина XVIII в. ознаменовалась резким увеличением сферы применения металлорежущих станйов и поисками удовлетворительной схемы универсального токарного станка, который мог использоваться в различных целях и позволял решать целый комплекс технических задач. Подобно тому, как на базе более ранних пароатмосферных машин Дж. Уатт создал свой универсальный двигатель, универсальный токарный станок строился на опыте эксплуатации первых станков с механизированным передвижным суппортом.
В 1751 г. Ж. Вокансон во Франции построил очень интересный станок, который по своим техническим данным уже походил на универсальный. Он был выполнен из металла, имел мощную станину, два металлических центра, две направляющие F-образной формы, механизированное перемещение медного суппорта в продольном и поперечном направлениях. В то же время в этом станке отсутствовала система зажима заготовки в патроне, несмотря на то, что это устройство уже существовало в более ранних конструкциях станков французских часовых мастеров. Заготовка на станке Вокансона крепилась в центрах, доступ к которым был затруднен находящимися с обеих сторон стойками. Неясна система привода вращения и связь ее с системой перемещения резца. Станок сохранился до наших дней (экспонируется в Лувре), но неизвестно, для выпуска каких деталей он предназначался. Можно предположить, что это был специализированный станок, на котором обрабатывались детали одного определенного типа, так как система крепления не предусматривала возможности зажима заготовок разного размера (расстояние между центрами, в которых крепилась заготовка,- около 1 м, а задний центр мог быть передвинут лишь примерно на 0,1 м).
Токарный (фузейный) станок 1763 г. по Берту (Франция)
Заслуживает внимания также и станок другого французского механика - Сено, изготовленный в 1795 г. Конструктор предусмотрел сменные шестерни, большого размера винт (длиной более 1 м и диаметром более 50 мм), простой механизированный суппорт. Станок специализированный - для нарезки и доводки винтов. Все части станков Сено и Вокансона имели высокое качество обработки, на них не было украшений, как это было принято делать раньше.
В 1778 г. англичанин Д. Рамсден предложил два типа станков для нарезания резьб. В первом станке вдоль вращаемой детали по параллельным направляющим передвигался алмазный режущий инструмент, перемещение которого задавалось вращением эталонного винта. Станок позволял при одном эталоне получать гамму резьб за счет смены шестерен. Второй станок давал возможность изготовлять резьбу с различным шагом на детали большей длины, чем длина самого эталона. Резец продвигался вдоль заготовки с помощью струны, накручивавшейся на центральную шпонку. Эти станки уже включали элементы универсального токарного станка, но все же они не могли использоваться как универсальные.
Расточный станок Д. Смитона 1769 г. (Англия)
На процесс создания таких станков влияли опыт изготовления и эксплуатация других видов металлообрабатывающего оборудования. К ним относятся сверлильные и расточные станки. До середины XVIII в. использовались довольно простые типы этих станков, которые применялись главным образом в оружейных мастерских.
Традиционные методы рассверловки заготовок удовлетворяли промышленность до тех пор, пока отверстия были относительно малы (до 180 мм), но для больших диаметров потребовались другие станки. Необходимость таких работ была связана прежде всего с созданием паровых машин. Уже первые машины Ньюкомена имели диаметр цилиндра порядка 500 мм при значительной длине (около 3 м). Более поздние модели паровых машин имели еще более значительные размеры. Несовершенство тогдашних расточных станков вынудило Дж. Уатта изготавливать цилиндр для своей первой паровой машины кованым. Для обработки деталей типа цилиндров паровых машин английский инженер Д. Смитон создал в 1769 г. станок, в котором борштанга была закреплена с двух сторон. Однако опорная тележка, поддерживающая борштан-гу, не обеспечивала достаточной точности (максимальная точность - 3/8 дюйма, т. е. 10 мм) и параллельность по всей длине, так как передвигалась внутри обрабатываемого цилиндра .
Суппорт орнаментального станка (из энциклопедии Дидро и Д"Аламбера) (1771 г.)
Полностью решить проблему расточки цилиндров практически любых размеров удалось только английскому механику Д. Вилкинсону в 1775 г., когда он построил на Бершемском заводе станок, в котором борштанга закреплялась с двух сторон в жестко закрепленных подшипниках скольжения и передвигалась вдоль цилиндра с помощью винтовой передачи. Станок Вилкинсона полностью удовлетворял Уатта, так как на нем растачивались детали диаметром более 1 м, причем зазор между цилиндром и поршнем «не превышал толщины шестипенсовой монеты» (примерно 1,5 мм). Это считалось тогда неплохим результатом.
28 марта 1693 года в Москве родился Андрей Константинович Нартов, невероятно одарённый механик и изобретатель, человек, талант и мастерство которого будут отмечены Петром I. Двенадцать лет его жизнь и жизнь царя будут связаны так тесно, что вскоре его станут звать не иначе как «личным царёвым токарем». Император Всея Руси станет крестным отцом сыну Нартова, и временами царь Пётр Алексеевич и Андрей Константинович вместе будут ночевать в «Токарне» после длинного рабочего дня… А был Нартов в то время всего лишь «механиком, который чин состоит в ранге по табели прапорщичьем и с определённым жалованьем по триста рублей в год».
Поразительно, но в XVIII столетии не было опубликовано ни строчки о жизни человека, который сделал более 100 изобретений, выдвинувших Россию на передовые позиции в области станкостроения. Ни одна из книг, написанных Нартовым, не была издана при его жизни. Отдельные фрагменты его трудов были напечатаны лишь через сто лет после их написания. Иными словами, возможностей распространения идей Нартова среди русских механиков не оказалось, что привело к быстрой потере лидерства России в области технологий механообработки.
А ведь первый в истории механический суппорт с самоходом для токарного станка благодаря Нартову появился в России. Первый токарно-винторезный станок - в России. Первый токарно-копировальный станок - у нас, и всё это тоже изобрёл Нартов. После его визита в Париж президент Парижской академии наук Биньон в письме Петру I отмечал его «великие успехи» в отношении токарного станка: «Невозможно ничего видеть дивнейшего!» Восторг можно было понять: Нартов привёз во Францию станок с самоходным суппортом, механическим держателем резца и коробкой передач со сменными шестернями. И это было не последнее его достижение; он создал станок в 1717-м, за два года до этой поездки.
1719 год, Берлин. Увидев станок, привезённый Нартовым, прусский король Фридрих Вильгельм I признал: «У нас в Берлине такой машины нет». В том же году Нартов доносит царю из Лондона: «Здесь таких токарных мастеров, которые превзошли российских мастеров, не нашёл, и чертежи машинам, которые ваше царское величество приказал здесь сделать, я мастерам казал, и оные сделать по ним не могут».
В своей книге, которая называлась «Театрум Махинариум, то есть Ясное зрелище махин», Нартов поместил полное руководство по конструированию разнообразных станков с чертежами отдельных узлов и рекомендациями будущим конструкторам (выше приведены иллюстрации из этой книги), но до конца столетия, увы, она так и не попадёт в руки читателей. Вспоминая об Андрее Константиновиче Нартове, чаще всего имеют в виду его творчество в области станкостроения, а ведь его заслуги перед Россией далеко не исчерпываются этим. О нескольких менее известных занятиях «царёва токаря» сегодня и поговорим.
«Кто не позван, да не входит сюда…»
Когда умер Пётр I, у Нартова возникли серьёзные проблемы в отношениях с Александром Меншиковым, который был злопамятен и хорошо запомнил, как однажды… Впрочем, слово самому Нартову:
«Некогда князь Меншиков, пришед к дверям токарной комнаты его величества, требовал, чтобы его туда впустили, но, увидя в том препятствие, начал шуметь. На сей шум вышел к нему Нартов и, удержав силою туда войти хотевшего князя Меншикова, объявил ему, что без особого приказа от государя никого впускать не велено, и потом двери тотчас запер. Такой неприятный отказ сего честолюбивого, тщеславного и гордого вельможу весьма рассердил, что он в запальчивости, оборотясь, с великим сердцем сказал: “Добро, Нартов, помни это”. Государь же начертал слова и сказал: “Вот тебе оборона; прибей сие к дверям и на угрозы Меншикова не смотри”. - “Кому не приказано, или кто не позван, да не входит сюда не токмо посторонний, но ниже служитель дома сего, дабы хотя сие место хозяин покойное имел”».
В 1726 году Нартова выставили из дворцовой мастерской и отправили в Москву «на монетные дворы для переделу монеты двух миллионов». Состояние дел там было плачевным. Директор Монетного двора Волков докладывал: «Непорядка и разорения монетных дворов изобразить никоим образом нельзя… Нет ни форм, во что плавить, ни мехов к кузницам».
Нартов практически с нуля восстановил производство, сконструировал и внедрил новый тип станка для насечки на ребре монеты; под его руководством изготавливают новое прессовое оборудование для чеканки монет. Через год из Москвы в Петербург доставили донесение: «Запустелые дворы в состояние приведены», а Нартова… отправляют ещё дальше - «по должности механического искусства на Сестрорецкие заводы для переделу в монету двадцати тысячей пудов красной меди». Описание конструкций оборудования, созданного в этот период, Нартов собирается издать в качестве инженерного пособия. «К монетному делу книга, в которой имеет быть описание всем махинам и инструментам, с надписанием каждого звания махины и инструмента, и оным меры, и во что оные могут встать» была им написана, но рукопись после его смерти оказалась утеряна.
Меры и веса
Ещё в период работы на монетных дворах Нартов обнаружил вопиющие факты расхождения в весах гирь, применявшихся для взвешивания цветных металлов, в том числе золота. Впервые он поднимает вопрос о создании государственной системы средств измерений, причём «по согласности с протчими европейскими государствами». На монетном производстве он внедряет систему поверки механических весов, совершенствует технологию литья серебра, исключающую потери металла, учреждает систему сквозной регистрации технологических операций и нормировки расхода и потерь металла. Обо всём этом он докладывает в Петербург главе монетного департамента М. Г. Головкину - и тут же получает крепкий выговор за то, что «не по своему призванию представляет»: дескать, чего механику лезть в дела мер и весов.
И тем не менее сегодня мы можем признать, что Нартов явился основоположником отечественной метрологии. Именно он внёс предложение о создании государственных эталонов весов и мер. Вскоре ему поручают изготовить образцовые меры длины «из меди и крепкого дерева», а также разработать конструкцию образцовых весов. С этим заданием Нартов блестяще справляется в компании светил академической науки. В докладе от имени Академии наук, касающемся работ по образцовым мерам и весам, подписи авторов идут в таком порядке: «Асессор Андрей Нартов. Леонард Эйлер. Георг Вольфганг Крафт». И сообщалось в нём об изготовлении «асессором Нартовым из зелёной меди четвероугольных кубических пуда и фунта»; решение: «Те пуд и фунт в комиссию принять и деньги означенному асессору Нартову выдать».
Царь-колокол
В 1734 году мастер-литейшик М. И. Моторин, отвечавший за изготовление невиданного 200-тонного Царь-колокола, обратился к Нартову с просьбой помочь в деле извлечения гигантской отливки из земляной литейной ямы. Ранее сконструированную Моториным подъёмную «махину» Нартов раскритиковал: «Прежде бывший мастер колокольный Моторин сделал приуготовление для поднятия кожуха, на что я ему советовал, что оная его сделанная махина поднять кожуха не сможет». Так и получилось. Подъёмник Моторина не выдержал и обрушил крышку литейной формы на колокол, который чудом не пострадал.
Тогда Нартов сконструировал свою «подъёмную махину», при помощи которой «тот кожух благополучно и поднят» («А тяжести в нём было, например, более семи тысящ пуд»). Проект более совершенного подъёмного механизма для извлечения отлитого Царь-колокола был поручен Нартову, который в короткие сроки изготовил его на основании «правил математических, механических и физических». К сожалению, воспользоваться им не удалось. 29 мая 1737 года в Кремле случился большой пожар. Вода, которой тушили огонь, попала на горячую поверхность отливки, которая дала трещины, а впоследствии из тела колокола «выпал кусок весом около 700 пудов».
«Секретные палаты»
В 1738 году в Петропавловской крепости Нартов обустраивает «секретные палаты» - по сути, первый в истории России инженерный центр по созданию артиллерийского вооружения, которое (забегая вперёд) стараниями Андрея Константиновича вскоре станет лучшим в мире. Именно здесь, в «секретных палатах», создаёт он первое своё военное изобретение - машину для сверления пушечных стволов.
За сравнительно небольшой срок из его «конструкторского бюро» выходит более 40 конструкций и технологий изготовления пушек различного назначения. Военным особенно понравились разработанные Нартовым способы заделки внутренних раковин и больших дефектов литья в каналах медных и особенно чугунных пушек при помощи «секретной зачинки». До этого пушки, у которых при литье образовывались каверны, рытвины и «проколы», определялись как брак и отправлялись на переплавку. Внедрение метода Нартова позволяло такие пушки доводить до полностью кондиционного состояния, что неоднократно было проверено практическими стрельбами. Экономический эффект просто поражал: ремонт полностью бракованной пушки стоимостью в 4 рубля 18 копеек обходился в 27 копеек. А качество пушки оказывалось таково, что «в новых местах в металле от чрезвычайной стрельбы раковины делались, а зачинка устояла».
Нартов разработал оптический прицельный прибор «для лучшего способа к стрелянию и из пушек, мортир и гаубиц, и к самому скорейшему навождению в цель без рычагов», благодаря которому точность стрельбы российских батарей значительно превысила аналогичные показатели артиллерии европейских стран.
Особо впечатляет нартовская скорострельная артиллерийская установка, состоящая из 44 трёхфунтовых мортир, установленных на поворотном круге. Во время стрельбы мортиры чистились, заряжались и оснащались запалами, поворачиваясь на подвижном основании.
2 мая 1746 года в признание заслуг Нартова высочайшим указом ему была пожалована награда в 5 тысяч рублей, отписаны несколько деревень в Новгородском уезде, а сам изобретатель был произведён в генеральский чин статского советника. А начинал он, как мы помним, прапорщиком…
Токарный станок - станок для обработки резанием (точением) заготовок из металлов, древесины и других материалов в виде тел вращения. На токарных станках выполняют обточку и расточку цилиндрических, конических и фасонных поверхностей, нарезание резьбы, подрезку и обработку торцов, сверление, зенкерование и развертывание отверстий и т. д. Заготовка получает вращение от шпинделя, резец - режущий инструмент - перемещается вместе с салазками суппорта от ходового вала или ходового винта, получающих вращение от механизма подачи.
В XVII–XVIII вв. бурно развивалась обрабатывающая промышленность. При многих мануфактурах были металлообрабатывающие мастерские.
Обработка в мастерских велась в основном на токарных лучковых станках. В этих станках сверху была укреплена гибкая жердь, к которой привязывался один конец веревки. Веревка обвивала валик на станке. Другой конец прикреплялся к доске, которая являлась педалью для ноги рабочего. Нажимая на педаль, рабочий вращал валик и обрабатываемую деталь. Режущий инструмент он держал в руке. Токарный станок был сложным орудием, но не машиной. Для превращения в машину был необходим резцедержатель-суппорт, заменяющий руку человека.
Изобретателем токарного станка с суппортом стал русский механик А. К. Нартов. Он построил несколько токарно-копировальных станков, имевших механический суппорт-держалку.
На станках конструкции Нартова для привода можно было использовать колесо, приводимое в движение при помощи воды или силы животных.
Несмотря на замечательные работы Нартова и высокую оценку, которую получили его изобретения и знания, изобретенный им суппорт не оказал большого влияния на практическое развитие техники токарного дела.
В конце XVIII в. к идее применения суппорта в токарных станках вернулись во Франции. В "Французской энциклопедии" Дидро в 1779 г. дается описание приспособления для токарных станков, которое явно напоминает принцип суппорта. Однако у этих станков был ряд недостатков, исключавших их широкое применение на практике.
Возможность развития техники машиностроения появилась только в результате первых двух этапов промышленной революции. Для машинного производства машин был необходим мощный двигатель. К началу XIX в. таким двигателем стала универсальная паровая машина двойного действия. С другой стороны, развитие производства рабочих машин и паровых двигателей во второй половине XVIII в. сформировало квалифицированные кадры для машиностроения – рабочих-механиков. Эти два условия и обеспечили техническую революцию в машиностроении.
Начало изменению техники изготовления машин положил английский механик Генри Модсли, создавший механический суппорт для токарного станка. Модсли с двенадцати лет начал работать в лондонском Арсенале. Там он получил хорошие навыки в дерево– и металлообработке и, кроме того, стал мастером кузнечного дела. Однако Модсли мечтал о карьере механика. В 1789 г. он поступил в Лондонскую механическую мастерскую Джозефа Брама, специалиста по изготовлению замков.
В мастерской Брама у Г. Модсли появилась возможность изобретать и конструировать различные приспособления для изготовления замков.
В 1794 г. он изобрел так называемый крестовый суппорт к токарному станку, что способствовало превращению станка в рабочую машину. Сущность изобретения Модсли сводилась к следующему: токари, обтачивая какой-либо предмет, наглухо укрепляли его на станке специальными зажимами. Рабочее орудие – резец находилось при этом в руках рабочего. При вращении вала резец обрабатывал заготовку. Рабочий должен был не только создавать необходимое давление резцом на заготовку, но и передвигать его вдоль нее. Это было возможно только при большом умении и сильном напряжении. Малейшее смещение резца нарушало точность обточки. Модсли решил укрепить резец на станке. Для этого он создал металлический зажим – суппорт, который имел две каретки, передвигающиеся посредством винтов. Одна каретка создавала необходимое давление резца на заготовку, а другая передвигала резец вдоль заготовки. Таким образом, человеческая рука была заменена специальным механическим приспособлением. С введением суппорта станок стал действовать непрерывно с совершенством, недостижимым даже для самой искусной человеческой руки. Суппорт мог применяться для изготовления как мельчайших деталей, так и огромных частей различных машин.
Это механическое приспособление заменило не какое-либо орудие, а человеческую руку, создающую определенную форму, приближая, прилагая острие режущего инструмента или направляя его на материал труда, например на дерево или металл. Таким образом, удалось воспроизводить геометрические формы отдельных частей машин с такой легкостью, точностью и быстротой, которую никогда не смогла бы обеспечить рука опытнейшего рабочего.
Первый станок с суппортом, правда, крайне несовершенным, был изготовлен в мастерской Брама в 1794–1795 годах. В 1797 г. Модсли построил первый работоспособный токарный станок на чугунной станине с самоходным суппортом. Станок служил для нарезки винтов, а также использовался для обработки деталей замков.
В дальнейшем Модеси продолжал совершенствовать токарный станок с суппортом. В 1797 г. он построил токарно-винторезный станок со сменным ходовым винтом. Выделка винтов в те времена была работой исключительно сложной. Винты, нарезаемые ручным способом, имели совершенно произвольную нарезку. Трудно было найти два одинаковых винта, что чрезвычайно усложняло ремонт станков, их сборку и замену сносившихся деталей новыми. Поэтому Модсли в первую очередь совершенствовал именно токарно-винторезные станки. Своей работой по усовершенствованию нарезок винтов он добился частичной стандартизации изготовления винтов, пролагая путь для своего будущего ученика Витворта, основателя винтовых стандартов в Англии.
Простейший токарный станок
Самоходный станок Модсли, предлагавшийся для винторезных работ, вскоре оказался незаменимой машиной в любой токарной работе. Этот станок работал с изумительной точностью, не требуя больших физических усилий со стороны рабочего.
Попытки создать рабочую машину в машиностроении с конца XVIII в. делались и в других странах. В Германии немецкий механик Рейхенбах, независимо от Модсли, также предложил приспособление для держания резца (суппорт) на деревянном токарном станке, предназначенном для обработки точных астрономических инструментов. Однако экономическое развитие феодальной Германии намного отставало от развития капиталистической Англии. Механический суппорт кустарной немецкой промышленности был не нужен, тогда как внедрение токарно-винторезного станка Модсли в Англии было обусловлено потребностями развивающегося капиталистического производства.
Суппорт вскоре был превращен в совершенный механизм и в модернизированной форме перенесен с токарного станка, для которого первоначально предназначался, на другие станки, применяемые для изготовления машин. С изготовлением суппорта начинают совершенствоваться и превращаться в машины все металлообрабатывающие станки. Появляются механические револьверные, шлифовальные, строгальные, фрезерные станки. К 30м годам XIX в. у английского машиностроения уже были основные рабочие машины, позволяющие производить механическим способом важнейшие в металлообработке операции.
Вскоре после изобретения суппорта Модсли ушел от Брама и открыл собственную механическую мастерскую, быстро превратившуюся в большой машиностроительный завод. Завод Модсли сыграл выдающуюся роль в деле развития английской машинной техники. То была школа знаменитых английских механиков. Здесь начинали свою деятельность такие выдающиеся машиностроители, как Витворт, Робертс, Несмит, Клемент, Мун и другие.
На заводе Модсли была применена уже машинная система производства в форме соединения трансмиссиями большого числа рабочих машин, приводимых в движение универсальным тепловым двигателем. Завод Модели, в основном, изготовлял детали для паровых машин Уатта. Однако на заводе конструировались и рабочие станки для механических мастерских. Г. Модсли выпускал образцовые токарные, а затем и строгальные механические станки.
Сам Модели, несмотря на то что был владельцем крупного предприятия, всю жизнь работал наравне со своими рабочими и учениками. Он обладал поразительной способностью находить и воспитывать талантливых машиностроителей. Многие выдающиеся английские механики обязаны Модсли своим техническим образованием. Кроме суппорта, он сделал много изобретений и усовершенствований в самых разнообразных отраслях техники.
Общий вид токарного станка
На жестком основании 1, которое называется станиной, укреплены передняя бабка 5 и задняя бабка 2. Передняя бабка - неподвижная. Ее основной узел - вал-шпиндель 8. Он вращается в бронзовых подшипниках внутри неподвижно закрепленного корпуса 7. На шпинделе устанавливается приспособление для крепления обрабатываемой детали. В данном случае это вилка 9. Для зажима детали используются, в зависимости от ее размера и формы, также планшайба, патрон и другие приспособления. Шпиндель вращается от электрического двигателя 10 через приводной шкив 6.
Задняя бабка станка может передвигаться вдоль станины и закрепляется в нужном положении. На одном уровне со шпинделем передней бабки в задней бабке установлен так называемый центр 11. Это валик с заостренным концом. Задняя бабка используется при обработке длинных деталей - тогда заготовка зажимается между вилкой шпинделя и центром задней бабки.
Современный токарный станок состоит из рабочих органов – суппорта для крепления резца, шпинделя для крепления детали, двигателя и передачи, передающей движение от двигателя к шпинделю. Передача состоит из коробки скоростей и коробки передач. Коробка скоростей представляет собой набор валов с закрепленными на них шестернями. Переключая шестерни, изменяют частоту вращения шпинделя, оставляя частоту вращения двигателя неизменной. Коробка передач передает вращение от коробки скоростей к ходовому валику или ходовому винту. Ходовой валик и ходовой винт предназначены для перемещения суппорта, на котором закреплен резец. Они позволяют согласовать скорость движения резца с частотой вращения детали. Ходовой валик устанавливает режим резания металла, а ходовой винт – шаг резьбы.
Опорой для шпинделя, инструмента или приспособлений служат передняя и задняя бабки.
Все узлы станка крепятся к станине.
Читайте и пишите полезные
»
Содержание
История токарного станка 2
Суппорт 7
Нартов Андрей Константинович 13
Генри Модсли 14
Литература 15
История токарного станка
История относит изобретение токарного станка к 650 гг. до н. э. Станок
представлял собой два установленных центра, между которыми зажималась
заготовка из дерева, кости или рога. Раб или подмастерье вращал заготовку
(один или несколько оборотов в одну сторону, затем в другую). Мастер держал
резец в руках и, прижимая его в нужном месте к заготовке, снимал стружку,
придавая заготовке требуемую форму.
Позднее для приведения заготовки в движение применяли лук со слабо
натянутой (провисающей) тетивой. Тетиву оборачивали вокруг цилиндрической
части заготовки так, чтобы она образовала петлю вокруг заготовки. При
движении лука то в одну, то в другую сторону, аналогично движению пилы при
распиливании бревна, заготовка делала несколько оборотов вокруг своей оси
сначала в одну, а затем в другую сторону.
В XIV - XV веках были распространены токарные станки с ножным приводом.
Ножной привод состоял из очепа - упругой жерди, консольно закрепленной над
станком. К концу жерди крепилась бечевка, которая была обернута на один
оборот вокруг заготовки и нижним концом крепилась к педали. При нажатии на
педаль бечевка натягивалась, заставляя заготовку сделать один - два
оборота, а жердь - согнуться. При отпускании педали жердь выпрямлялась,
тянула вверх бечевку, и заготовка делала те же обороты в другую сторону.
Примерно к 1430 г. вместо очепа стали применять механизм, включающий
педаль, шатун и кривошип, получив, таким образом, привод, аналогичный
распространенному в XX веке ножному приводу швейной машинки. С этого
времени заготовка на токарном станке получила вместо колебательного
движения вращение в одну сторону в течение всего процесса точения.
В 1500 г. токарный станок уже имел стальные центры и люнет, который мог
быть укреплен в любом месте между центрами.
На таких станках обрабатывали довольно сложные детали, представляющие
собой тела вращения, - вплоть до шара. Но привод существовавших тогда
станков был слишком маломощным для обработки металла, а усилия руки,
держащей резец, недостаточными, чтобы снимать большую стружку с заготовки.
В результате обработка металла оказывалась малоэффективной. Необходимо было
заменить руку рабочего специальным механизмом, а мускульную силу,
приводящую станок в движение, более мощным двигателем.
Появление водяного колеса привело к повышению производительности труда,
оказав при этом мощное революционизирующее действие на развитие техники. А
с середины XIV в. водяные приводы стали распространяться в
металлообработке.
В середине XVI Жак Бессон (умер в 1569 г.) - изобрел токарный станок
для нарезки цилиндрических и конических винтов.
В начале XVIII века Андрей Константинович Нартов (1693-1756), механик
Петра первого, изобретает оригинальный токарно-копировальный и винторезный
станок с механизированным суппортом и набором сменных зубчатых колес. Чтобы
по-настоящему понять мировое значение этих изобретений, вернемся к эволюции
токарного станка.
В XVII в. появились токарные станки, в которых обрабатываемое изделие
приводилось в движение уже не мускульной силой токаря, а с помощью водяного
колеса, но резец, как и раньше, держал в руке токарь. В начале XVIII в.
токарные станки все чаще использовали для резания металлов, а не дерева, и
поэтому проблема жесткого крепления резца и перемещения его вдоль
обрабатываемой поверхности стола весьма актуальной. И вот впервые проблема
самоходного суппорта была успешно решена в копировальном станке А.К.Нартова
в 1712 г.
К идее механизированного передвижения резца изобретатели шли долго.
Впервые эта проблема особенно остро встала при решении таких технических
задач, как нарезание резьбы, нанесение сложных узоров на предметы роскоши,
изготовление зубчатых колес и т.д. Для получения резьбы на валу, например,
сначала производили разметку, для чего на вал навивали бумажную ленту
нужной ширины, по краям которой наносили контур будущей резьбы. После
разметки резьбу опиливали напильником вручную. Не говоря уже о трудоемкости
такого процесса, получить удовлетворительное качество резьбы таким способом
весьма трудно.
А Нартов не только решил задачу механизации этой операции, но в 1718-
1729 гг. сам усовершенствовал схему. Копировальный палец и суппорт
приводились в движение одним ходовым винтом, но с разным шагом нарезки под
резцом и под копиром. Таким образом, было обеспечено автоматическое
перемещение суппорта вдоль оси обрабатываемой заготовки. Правда, поперечной
подачи еще не было, вместо нее было введено качание системы "копир-
заготовка". Поэтому работы над созданием суппорта продолжались. Свой
суппорт создали, в частности, тульские механики Алексей Сурнин и Павел
Захава. Более совершенную конструкцию суппорта, близкую к современной,
создал английский станкостроитель Модсли, но А.К. Нартов остается первым,
кто нашел путь к решению этой задачи.
Вторая половина XVIII в. в станкостроении ознаменовалась резким
увеличением сферы применения металлорежущих станков и поисками
удовлетворительной схемы универсального токарного станка, который мог бы
использоваться в различных целях.
В 1751 г. Ж. Вокансон во Франции построил станок, который по своим
техническим данным уже походил на универсальный. Он был выполнен из
металла, имел мощную станину, два металлических центра, две направляющие V-
образной формы, медный суппорт, обеспечивающий механизированное перемещение
инструмента в продольном и поперечном направлениях. В то же время в этом
станке отсутствовала система зажима заготовки в патроне, хотя это
устройство существовало в других конструкциях станков. Здесь
предусматривалось крепление заготовки только в центрах. Расстояние между
центрами можно было менять в пределах 10 см. Поэтому обрабатывать на станке
Вокансона можно было лишь детали примерно одинаковой длины.
В 1778 г. англичанин Д. Рамедон разработал два типа станков для
нарезания резьб. В одном станке вдоль вращаемой заготовки по параллельным
направляющим передвигался алмазный режущий инструмент, скорость перемещения
которого задавалась вращением эталонного винта. Сменные шестерни позволяли
получать резьбы с разным шагом. Второй станок давал возможность
изготавливать резьбу с различным шагом на детали большей длины, чем длина
эталона. Резец продвигался вдоль заготовки с помощью струны,
накручивавшейся на центральную шпонку.
В 1795 г. французский механик Сено изготовил специализированный
токарный станок для нарезки винтов. Конструктор предусмотрел сменные
шестерни, большой ходовой винт, простой механизированный суппорт. Станок
был лишен каких-либо украшений, которыми любили украшать свои изделия
мастера прежде.
Накопленный опыт позволил к концу XVIII века создать универсальный
токарный станок, ставший основой машиностроения. Его автором стал Генри
Модсли. В 1794 г. он создал конструкцию суппорта, довольно несовершенную. В
1798 г., основав собственную мастерскую по производству станков, он
значительно улучшил суппорт, что позволило создать вариант универсального
токарного станка.
В 1800 г. Модсли усовершенствовал этот станок, а затем создал и третий
вариант, содержавший все элементы, которые имеют токарно-винторезные станки
сегодня. При этом существенно то, что Модсли понял необходимость унификации
некоторых видов деталей и первым стал внедрять стандартизацию резьб на
винтах и гайках. Он начал выпускать наборы метчиков и плашек для нарезки
резьб.
Одним из учеников и продолжателей дела Модсли был Р. Робертс. Он
улучшил токарный станок тем, что расположил ходовой винт перед станиной,
добавил зубчатый перебор, ручки управления вынес на переднюю панель станка,
что сделало более удобным управление станком. Этот станок работал до 1909
г.
Другой бывший сотрудник Модсли - Д. Клемент создал лоботокарный станок
для обработки деталей большого диаметра. Он учел, что при постоянной
скорости вращения детали и постоянной скорости подачи по мере движения
резца от периферии к центру скорость резания будет падать, и создал систему
увеличения скорости.
В 1835 г. Д. Витворт изобрел автоматическую подачу в поперечном
направлении, которая была связана с механизмом продольной подачи. Этим было
завершено принципиальное совершенствование токарного оборудования.
Следующий этап - автоматизация токарных станков. Здесь пальма
первенства принадлежала американцам. В США развитие техники обработки
металлов началось позднее, чем в Европе. Американские станки первой
половины XIХ в. значительно уступали станкам Модсли.
Во второй половине XIХ в. качество американских станков было уже
достаточно высоким. Станки выпускались серийно, причем вводилась полная
взаимозаменяемость деталей и блоков, выпускаемых одной фирмой. При поломке
детали достаточно было выписать с завода аналогичную и заменить сломанную
деталь на целую без всякой подгонки.
Во второй половине XIХ в. были введены элементы, обеспечивающие полную
механизацию обработки - блок автоматической подачи по обеим координатам,
совершенную систему крепления резца и детали. Режимы резания и подач
изменялись быстро и без значительных усилий. В токарных станках имелись
элементы автоматики - автоматический останов станка при достижении
определенного размера, система автоматического регулирования скорости
лобового точения и т.д.
Однако основным достижением американского станкостроения было не
развитие традиционного токарного станка, а создание его модификации -
револьверного станка. В связи с необходимостью изготовления нового
стрелкового оружия (револьверов) С. Фитч в 1845 г. разработал и построил
револьверный станок с восемью режущими инструментами в револьверной
головке. Быстрота смены инструмента резко повысила производительность
станка при изготовлении серийной продукции. Это был серьезный шаг к
созданию станков-автоматов.
В деревообработке первые станки-автоматы уже появились: в 1842 г. такой
автомат построил К. Випиль, а в 1846 г. Т. Слоан.
Первый универсальный токарный автомат изобрел в 1873г. Хр. Спенсер.
Суппорт
Одним из важнейших достижений машиностроения в начале XIX века стало
распространение металлорежущих станков с суппортами - механическими
держателями для резца. Введение суппорта разом повлекло за собой
усовершенствование и удешевление всех машин, дало толчок к новым
усовершенствованиям и изобретениям.
Суппорт предназначен для перемещения во время обработки режущего
инструмента, закрепленного в резцедержателе. Он состоит из нижних салазок
(продольного суппорта) 1, которые перемещаются по направляющим станины с
помощью рукоятки 15 и обеспечивают перемещение резца вдоль заготовки. На
нижних салазках по направляющим 12 перемещаются поперечные салазки
(поперечный суппорт) 3, которые обеспечивают перемещение резца
перпендикулярно оси вращения заготовки (детали).
На поперечных салазках 3 расположена поворотная плита 4, которая
закрепляется гайкой 10. По направляющим 5 поворотной плиты 4 перемещаются
(с помощью рукоятки 13) верхние салазки 11, которые вместе с плитой 4 могут
поворачиваться в горизонтальной плоскости относительно поперечных салазок и
обеспечивать перемещение резца под углом к оси вращения заготовки (детали).
Резцедержатель (резцовая головка) 6 с болтами 8 крепится к верхним
салазкам с помощью рукоятки 9, которая перемещается по винту 7. Привод
перемещения суппорта производится от ходового винта 2, от ходового вала,
расположенного под ходовым винтом, или вручную. Включение автоматических
подач производится рукояткой 14.
Устройство поперечного суппорта показано на рисунке ниже. По
направляющим продольного суппорта 1 ходовым винтом 12, оснащенным рукояткой
10, перемещаются салазки поперечного суппорта. Ходовой винт 12 закреплен
одним концом в продольном суппорте 1, а другим - связан с гайкой (состоящей
из двух частей 15 и 13 и клина 14), которая крепится к поперечным салазкам
9. Затягивая винт 16, раздвигают (клином 14) гайки 15 и 13, благодаря чему
выбирается зазор между ходовым винтом 12 и гайкой 15.
Величину перемещения поперечного суппорта определяют по лимбу 11. К
поперечному суппорту крепится (гайками 7) поворотная плита 8, вместе с
которой поворачиваются верхние салазки 6 и резцедержатель 5. На некоторых
станках на поперечных салазках 9 устанавливается задний резцедержатель 2
для проточки канавок, отрезки и других работ, которые могут быть выполнены
перемещением поперечного суппорта, а также кронштейн 3 с щитком 4,
защищающим рабочего от попадания стружки и смазочно-охлаждающей жидкости.
Токарный станок имеет весьма древнюю историю, причем с годами его
конструкция менялась очень незначительно. Приводя во вращение кусок
дерева, мастер с помощью долота мог придать ему самую причудливую
цилиндрическую форму. Для этого он прижимал долото к быстро вращающемуся
куску дерева, отделял от него круговую стружку и постепенно давал заготовке
нужные очертания. В деталях своего устройства станки могли довольно
значительно отличаться друг от друга, но вплоть до конца XVIII века все они
имели одну принципиальную особенность: при обработке заготовка вращалась, а
резец находился в руках мастера.
Исключения из этого правила были очень редкими, и их ни в коем случае
нельзя считать типичными для этой эпохи. Например, держатели для резца
получили распространение в копировальных станках. С помощью таких станков
работник, не обладавший особыми навыками, мог изготовлять затейливые
изделия очень сложной формы. Для этого пользовались бронзовой моделью,
имевшей вид изделия, но большего размера (обычно 2:1). Нужное изображение
получали на заготовке следующим образом.
Станок оборудовался двумя суппортами, позволявшими вытачивать изделия
без участия руки работника: в одном был закреплен копировальный палец, в
другом - резец. Неподвижный копировальный палец имел вид стержня, на
заостренном конце которого помешался маленький ролик. К ролику
копировального пальца специальной пружиной постоянно прижималась модель. Во
время работы станка она начинала вращаться и в соответствии с выступами и
впадинами на своей поверхности совершала колебательные движения.
Эти движения модели через систему зубчатых колес передавались
вращающейся заготовке, которая повторяла их. Заготовка находилась в
контакте с резцом, подобно тому, как модель находилась в контакте с
копировальным пальцем. В зависимости от рельефа модели заготовка то
приближалась к резцу, то удалялась от него. При этом менялась и толщина
стружки. После многих проходов резца по поверхности заготовки возникал
рельеф, аналогичный имевшемуся на модели, но в меньшем масштабе.
Копировальный станок был очень сложным и дорогим инструментом.
Приобрести его могли лишь весьма состоятельные люди. В первой половине
XVIII века, когда возникла мода на точеные изделия из дерева и кости,
токарными работами занимались многие европейские монархи и титулованная
знать. Для них большей частью и предназначались копировальные станки.
Но широкого распространения в токарном деле эти приспособления не
получили. Простой токарный станок вполне удовлетворял всем потребностям
человека вплоть до второй половины XVIII века. Однако с середины столетия
все чаще стала возникать необходимость обрабатывать с большой точностью
массивные железные детали. Валы, винты различной величины, зубчатые колеса
были первыми деталями машин, о механическом изготовлении которых встал
вопрос тотчас же после их появления, так как они требовались в огромном
количестве.
Особенно остро нужда в высокоточной обработке металлических заготовок
стала ощущаться после внедрения в жизнь великого изобретения Уатта.
Изготовление деталей для паровых машин оказалось очень сложной технической
задачей для того уровня, которого достигло машиностроение XVIII века.
Обычно резец укреплялся на длинной крючкообразной палке. Рабочий держал
его в руках, опираясь как на рычаг на специальную подставку. Этот труд
требовал больших профессиональных навыков и большой физической силы. Любая
ошибка приводила к порче всей заготовки или к слишком большой погрешности
обработки.
В 1765 году из-за невозможности рассверлить с достаточной точностью
цилиндр длиной в два фута и диаметром в шесть дюймов Уатт вынужден был
прибегнуть к ковкому цилиндру. Расточка цилиндра длиною в девять футов и
диаметром в 28 дюймов допускала точность до "толщины маленького пальца".
С начала XIX века начался постепенный переворот в машиностроении. На
место старому токарному станку один за другим приходят новые высокоточные
автоматические станки, оснащенные суппортами. Начало этой революции положил
токарный винторезный станок английского механика Генри Модсли, позволявший
автоматически вытачивать винты и болты с любой нарезкой.
Нарезка винтов долго оставалась сложной технической задачей, поскольку
требовала высокой точности и мастерства. Механики давно задумывались над
тем, как упростить эту операцию. Еще в 1701 году в труде Ш. Плюме
описывался способ нарезки винтов с помощью примитивного суппорта.
Для этого к заготовке припаивали отрезок винта в качестве хвостовика.
Шаг напаиваемого винта должен был быть равен шагу того винта, который нужно
было нарезать на заготовке. Затем заготовку устанавливали в простейших
разъемных деревянных бабках; передняя бабка поддерживала тело заготовки, а
в заднюю вставлялся припаянный винт. При вращении винта деревянное гнездо
задней бабки сминалось по форме винта и служило гайкой, вследствие чего вся
заготовка перемещалась в сторону передней бабки. Подача на оборот была
такова, что позволяла неподвижному резцу резать винт с требуемым шагом.
Подобного же рода приспособление было на токарно-винторезном станке
1785 года, который был непосредственным предшественником станка Модсли.
Здесь нарезка резьбы, служившая образцом для изготавливаемого винта,
наносилась непосредственно на шпиндель, удерживавший заготовку и
приводивший ее во вращение. (Шпинделем называют вращающийся вал токарного
станка с устройством для зажима обрабатываемой детали.) Это давало
возможность делать нарезку на винтах машинным способом: рабочий приводил во
вращение заготовку, которая за счет резьбы шпинделя, точно так же как и в
приспособлении Плюме, начинала поступательно перемещаться относительно
неподвижного резца, который рабочий держал на палке.
Таким образом, на изделии получалась резьба, точно соответствующая
резьбе шпинделя. Впрочем, точность и прямолинейность обработки зависели
здесь исключительно от силы и твердости руки рабочего, направлявшего
инструмент. В этом заключалось большое неудобство. Кроме того, резьба на
шпинделе была всего 8-10 мм, что позволяло нарезать только очень короткие
винты.
Винторезный станок, сконструированный Модсли, представлял собой
значительный шаг вперед. История его изобретения так описывается
современниками. В 1794-1795 годах Модсли, еще молодой, но уже весьма
опытный механик, работал в мастерской известного изобретателя Брамы.
Перед Брамой и Модсли стояла задача увеличить число деталей,
изготавливаемых на станках. Однако старый токарный станок был для этого
неудобен. Начав работу по его усовершенствованию, Модсли в 1794 году
снабдил его крестовым суппортом.
Нижняя часть суппорта (салазки) устанавливались на одной раме с задней
бабкой станка и могла скользить вдоль ее направляющей. В любом ее месте
суппорт мог быть прочно закреплен при помощи винта. На нижних салазках
находились верхние, устроенные подобным же образом. С помощью них резец,
закрепленный винтом в прорези на конце стального бруска, мог перемещаться в
поперечном направлении.
Движение суппорта в продольном и поперечном направлениях происходило с
помощью двух ходовых винтов. Подвинув резец с помощью суппорта вплотную к
заготовке, жестко установив его на поперечных салазках, а затем перемещая
вдоль обрабатываемой поверхности, можно было с большой точностью срезать
лишний металл. При этом суппорт выполнял функцию руки рабочего,
удерживающего резец. В описываемой конструкции, собственно, не было еще
ничего нового, но она была необходимым шагом к дальнейшим
усовершенствованиям.
Уйдя вскоре после своего изобретения от Брамы, Модсли основал
собственную мастерскую и в 1798 году создал более совершенный токарный
станок. Этот станок стал важной вехой в развитии станкостроения, так как он
впервые позволил автоматически производить нарезку винтов любой длины и
любого шага.
Слабым местом прежнего токарного станка было то, что на нем можно было
нарезать только короткие винты. Иначе и быть не могло ведь там не было
суппорта, рука рабочего должна была оставаться неподвижной, а двигалась
сама заготовка вместе с шпинделем. В станке Модсли заготовка оставалась
неподвижной, а двигался суппорт с закрепленным в нем резцом.
Для того чтобы заставить суппорт перемещаться на нижних салазках вдоль
станка, Модсли соединил с помощью двух зубчатых колес шпиндель передней
бабки с ходовым винтом суппорта. Вращающийся винт вкручивался в гайку,
которая тянула за собой салазки суппорта и заставляла их скользить вдоль
станины. Поскольку ходовой винт вращался с той же скоростью, что и
шпиндель, то на заготовке нарезалась резьба с тем же шагом, что была на
этом винте. Для нарезки винтов с различным шагом при станке имелся запас
ходовых винтов.
Автоматическое нарезание винта на станке происходило следующим образом.
Заготовку зажимали и обтачивали до нужных размеров, не включая механической
подачи суппорта. После этого соединяли ходовой винт со шпинделем, и
винтовая нарезка осуществлялась за несколько проходов резца. Обратный отход
суппорта каждый делался вручную после отключения самоходной подачи. Таким
образом, ходовой винт и суппорт полностью заменяли руку рабочего. Мало
того, они позволяли нарезать резьбу гораздо точнее и быстрее, чем на
прежних станках.
В 1800 году Модсли внес замечательное усовершенствование в свой станок
– взамен набора сменных ходовых винтов он применил набор сменных зубчатых
колес, которые соединяли шпиндель и ходовой винт (их было 28 с числом
зубьев от 15 до 50).
На своем станке Модсли выполнял нарезку резьб с такой изумительной
точностью и аккуратностью, что это казалось современникам почти чудом. Он,
в частности, нарезал регулировочные винт и гайку для астрономического
прибора, который в течение долгого времени считался непревзойденным
шедевром точности. Винт имел пять футов длины и два дюйма в диаметре с 50-ю
витками на каждый дюйм. Резьба была такой мелкой, что ее невозможно было
рассмотреть невооруженным глазом. В скором времени усовершенствованный
Модсли станок получил повсеместное распространение и послужил образцом для
многих других металлорежущих станков. В 1817 году был создан строгальный
станок с суппортом, позволивший быстро обрабатывать плоские поверхности. В
1818 году Уитни придумал фрезерный станок. В 1839 году появился карусельный
станок и т.д.
Нартов Андрей Константинович
(1683 - 1756)
Деятель времени Петра Великого. Русский механик и изобретатель. Учился
в Школе математических и навигацких наук в Москве. Около 1718 года был
послан царем за границу для усовершенствования в токарном искусстве и
"приобретения знаний в механике и математике". По указанию Петра I, Нартов
вскоре был переведен в Петербург и назначен личным токарем царя в дворцовой
токарной мастерской.
Работая здесь в 1712-1725, Нартов изобрел и построил ряд совершенных и
оригинальных по кинематической схеме токарных станков (в том числе
копировальных), часть которых была снабжена механическими суппортами. С
появлением суппорта решалась задача изготовления частей машин строго
определенной геометрической формы, задача производства машин машинами.
В 1726-1727 и в 1733 Нартов работал при Московском монетном дворе, где
создал оригинальные монетные станки. В том же 1733 году Нартов создал
механизм для подъема "Царь колокола". После смерти Петра, Нартову было
поручено сделать "триумфальный столп" в честь императора, с изображением
всех его "баталий".
Когда в Академию Наук были сданы все токарные принадлежности и предметы
Петра, а также и "триумфальный столп", то, по настоянию начальника
академии, барона Корфа, считавшего Нартова единственным человеком,
способным окончить "столп", он был переведен в академию "к токарным
станкам", для заведывания учениками токарного и механического дела и
слесарями. Петровская токарня, превращенная Нартовым в академические
мастерские, послужила базой для последующих работ М. В. Ломоносова, а затем
И. П. Кулибина (особенно в области приборостроения).
В 1742 году Нартов принес Сенату жалобу на советника академии Шумахера,
с которым у него происходили пререкания по денежному вопросу, а затем
добился назначения следствия над Шумахером, на место которого был определен
сам Нартов. В этой должности он пробыл только 1,5 года, потому что оказался
"ничего кроме токарного художества незнающим и самовластным"; он велел
запечатать архив академической канцелярии, грубо обращался с академиками, и
наконец, довел дело до того, что Ломоносов и другие члены стали просить
возвращения Шумахера, который вновь вступил в управление академией в 1744
году, а Нартов сосредоточил свою деятельность "на пушечно-артиллерийском
деле".
1738-1756, работая в Артиллерийском ведомстве, Нартов создал станки для
сверления канала и обточки цапф пушек, оригинальные запалы, оптический
прицел; предложил новые способы отливки пушек и заделки раковин в канале
орудия. В 1741 Нартов изобрел скорострельную батарею из 44 трехфунтовых
мортирок. В этой батарее впервые в истории артиллерии был применен винтовой
подъемный механизм, который позволял придавать мортиркам желаемый угол
возвышения.
В обнаруженной рукописи Нартова "Ясное зрелище махин" описывается более
20 токарных, токарно-копировальных, токарно-винторезных станков различных
конструкций. Выполненные Нартовым чертежи и технические описания
свидетельствуют о его больших инженерных познаниях. Он издал также:
"Достопамятные повествования и речи Петра Великого" и "Театрум махинарум".
Авторство многих анекдотов о Петре приписывается Нартову.
Генри Модсли
Maudslay Henry (1771-1831)
Английский механик и промышленник. Создал токарно-винторезный станок с
механизированным суппортом (1797), механизировал производство винтов, гаек
и др. Ранние годы провел в Вулвиче под Лондоном.
В 12 лет стал работать набивальщиком патронов в Вулвичском арсенале, а
в 18 лет он лучший кузнец арсенала и слесарь-механик, в мастерской Дж.
Брама - лучшей мастерской Лондона. Позже открыл собственную мастерскую,
потом завод в Ламбете.
Создал "Лабораторию Модсли". Дизайнер. Машиностроитель. Создал
механизированный суппорт токарного станка, собственной конструкции.
Придумал оригинальный набор сменных зубчатых колес. Изобрел поперечно-
строгальный станок с кривошипно-шатунным механизмом. Создал или
усовершенствовал большое количество различных металлорежущих станков.
Строил для России паровые корабельный машины.
Литература
Интернет-ресурсы:
V http://turner.narod.ru/dir1/modsli.htm
V http://turner.narod.ru/dir1/nartov.htm
V http://www.100top.ru/encyclopedia/article/?articleid=11490
V http://savelaleksandr.narod.ru/IZOB/page33.html
V http://turner.narod.ru/dir1/histori.htm
С вопросами, пожеланиями и отзывами обращайтесь по адресу: [email protected]
Загрузка...