История токарного дела
Самые старые токарные станки использовались в Египте еще в бронзовом веке. Это были струнно-токарные станки с возвратно-поступательным движением. Особенности таких конструкций:
- В качестве их движущей силы выступал человек, тянущий один или другой конец веревки, намотанной на вал, установленный с возможностью вращения на двух подшипниках.
- На конце вала зажималась заготовка, при этом другой человек держал режущий инструмент в руках и прижимал его к заготовке.
В середине 2-го тысячелетия до нашей эры появилась новая конструкция привода токарного станка, просуществовавшая до 16 века. Это был струнный привод, поэтому также использовался шнур, обмотанный вокруг приводного вала, но с одной стороны он был прикреплен к ножной педали, а с другой — к упругому элементу (это могло быть молодое дерево загнутое особым способом). Когда человек нажимал на педаль, он тянул шнур вниз, одновременно заставляя вал вращаться и упругий элемент сжимался. Когда давление на педаль уменьшалось — пружинный элемент тянул шнур вверх, одновременно поворачивая вал в обратном направлении. Позже вместо дерева использовали арку в форме пружины, подвешенную к потолку.
Примерно в 1500 году великий Леонардо да Винчи усовершенствовал привод токарного станка, используя канатный и ременной привод и одновременно зубчатые передачи — так был создан токарный станок с непрерывным (необратимым) движением. Появление маховика, который позволяет накапливать большое количество энергии, упростило обработку все более твердых материалов.
Устройство первых моделей
Старинный токарный станок зажимал заготовку между центрами. Вращение осуществлялось руками всего на несколько оборотов. Неподвижным инструментом осуществлялся рез. Аналогичный принцип обработки присутствует в современных моделях.
В качестве привода для вращения заготовки мастера использовали: животных, лук со стрелами привязанный веревкой к изделию. Некоторые умельцы для этих целей строили подобие водяной мельницы. Но значительно повысить производительность так и не получалось.
Первый токарный станок имел деревянные части, и с увеличением количества узлов терялась надежность устройства. Водяные приспособления быстро теряли актуальность ввиду сложности ремонта. Только к 14 веку появился простейший привод, значительно упростивший процесс обработки.
Особенности первых моделей токарных станков
Рассмотрим особенности моделей станков, которые были изобретены позже:
- В 1797 году англичанин Генри Модсли сконструировал токарный станок по металлу, в котором впервые каретка могла приводиться в движение ходовым винтом, то есть режущий инструмент двигался вдоль заготовки. Дополнительным преимуществом этой конструкции было использование поперечного суппорта, позволяющее ножу двигаться не только вдоль, но и в перпендикулярном направлении.
- В 1810 году все тот же Г. Модсли построил токарный станок с винтовым вращением. Они были настолько тщательно изготовлены, что стали взаимозаменяемыми. Это был важный шаг на пути к массовому производству.
- В 1820 году Модсли сконструировал еще один станок — шпиндельный токарный станок, пригодный для серийного производства.
- Токарный станок с механической подачей, как продольной, так и поперечной, был изобретен в 1835 году англичанином Джозефом Уитвортом.
- В 1839 году Фредерик Бодмер в Швейцарии строит первый вертикальный токарный станок, на котором заготовка зажимается на горизонтальном столе, что позволило работать с очень тяжелыми (более 200 тонн) и крупными объектами (диаметром более 24 метров).
- В 1845 году американец С. Фитч сконструировал прототип револьверного станка, в котором лафет снабжен вращающейся частью (револьверной головкой), к которой можно одновременно прикрепить несколько различных инструментов. Это позволило быстрее изготавливать заготовку, устраняя перерывы, необходимые для замены инструмента. Одновременно с усовершенствованием конструкции была разработана и усовершенствована система привода от трансмиссионного привода от водяного колеса через паровую машину, до современных токарных станков с собственным источником энергии — электродвигателем. Также были изменены материалы, из которых изготавливались режущие инструменты. Первоначально они производились из низкоуглеродистой стали, но по мере увеличения твердости заготовок впервые появились ножи из быстрорежущей стали. В 1925 году для лезвий инструментов впервые был использован карбид вольфрама.
После Первой мировой войны различные высокопроизводительные специализированные токарные станки быстро развивались и применялись для производства оружия, автомобилей и другого оборудования. Для повышения производительности малых партий заготовок в конце 1940-х годов были появились токарные станки с гидравлическими профилирующими устройствами. В то же время были разработаны многоинструментальные токарные станки. В середине 1950-х годов были разработаны токарные станки с программным управлением с перфокартами, стопорными пластинами и дисками. Технология ЧПУ начала использоваться в токарных станках в 1960-х годах и быстро развивалась после 1970-х годов.
Если Вам требуется лазерная резка металла мы будем ждать заявок по данному вопросу.
Станки и пушки Андрея Нартова
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 о 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…
Ранние приводные механизмы
Прошло несколько веков с изобретения токарного станка до реализации на нем простейшего приводного механизма. Представить его можно в виде жерди закрепленной посередине на станине поверх заготовки. Один конец очепа привязан веревкой, которая обернута вокруг заготовки. Второй закреплен с педалью для ног.
Этот механизм успешно работал, но не мог дать необходимую производительность. Принцип работы был построен на законах упругой деформации. При нажатии на педаль осуществлялось натяжение веревки, жердь изгибалась и испытывала значительное напряжение. Последнее передавалось заготовке, приводя ее в движение.
Провернув изделие на 1 или 2 оборота, жердь освобождалась и снова изгибалась. Педалью мастер регулировал постоянную работу очепа, заставляя непрерывно вращаться заготовку. Руки при этом были заняты инструментом, совершая обработку древесины.
Этот простейший механизм унаследовали следующие версии станков, которые уже имели кривошипно-шатунный механизм. Аналогичную конструкцию привода впоследствии имели механические швейные машинки 20-го века. На токарных станках при помощи кривошипа добились равномерного движения в одну сторону.
За счет равномерного движения мастера стали получать изделия правильной цилиндрической формы. Единственное чего не хватало — жесткости узлов: центров, державок инструмента, приводного механизма. Из дерева изготавливались держатели резцов, что приводило к их отжиму при обработке.
Но, несмотря на перечисленные недостатки, стало возможным выпускать даже шарообразные детали. Обработка металлов еще была затруднительным процессом. Даже мягкие сплавы вращением не поддавались реальному точению.
Положительным сдвигом в конструировании станков было внедрение универсальности в обработке: уже на одной машине выполнялась обработка заготовок различного диаметра и длины. Это достигалось регулируемыми держателями и центрами. Однако большие детали требовали значительных физических затрат мастера на реализацию вращение.
Многие умельцы приспособили маховик из чугуна и других тяжелых материалов. Использование силы инерции и притяжения облегчило труд обработчика. Однако промышленных масштабов достигнуть было еще сложно.
Металлические детали
Основной задачей изобретателей станков было повысить жесткость узлов. Началом технического перевооружения стало применение металлических центров, зажимающих заготовку. Позже уже внедрили шестеренчатые передачи из стальных деталей.
Металлические запчасти позволили создать винторезные станки. Жесткости уже хватало для обработки мягких металлов. Постепенно совершенствовались отдельные узлы:
- держатель заготовок, позже названный главным узлом — шпинделем;
- конусные упоры оснащались регулируемыми механизмами для изменения положения по длине;
- работа на токарном станке стала легче с изобретением металлического держателя инструмента, но требовался постоянный отвод стружки при повышении производительности;
- чугунная станина повысила жесткость конструкции, что позволило обрабатывать детали значительной длины.
С внедрением металлических узлов раскрутить заготовку становится сложнее. Изобретатели задумались о создании полноценного привода, желая исключить ручной труд человека. Система передач помогла осуществить задуманное. Паровой двигатель впервые был приспособлен для вращения заготовок. Ему предшествовал водяной двигатель.
Равномерность перемещения режущего инструмента осуществлялась червячной передачей при помощи рукоятки. Благодаря этому получалась более чистая поверхность детали. Сменные блоки позволили реализовать универсальную работу на токарном станке. Механизированные конструкции усовершенствовались столетиями. Но по сей день принцип работы узлов базируется на первых изобретениях.
