Токарь Петра Великого

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

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

В 1742 г. Нартов принес Сенату жалобу на советника академии Шумахера. После следствия Шумахера сняли, а назначили Нартова. На этой должности он пробыл только полтора года, потому что оказался "ничем кроме токарного художества не знающим" и самовластным. Он велел запечатать архив академической канцелярии, содержавший ученую перемену академиков, грубо обращался с ними. Ломоносов и другие члены стали просить возвращения Шумахера, который вновь вступил в управление в 1744 г., а Нартов сосредоточил свою деятельность "на пушечно-артиллерийском деле".

Нартову принадлежат некоторые сочинения, которые по мнению многих написаны его сыном.

В России суппорт изобрел механик Петр I-ого Андрей Нартов. Его "держалка", над которой он работал много лет, была совершенно новым, оригинальным и точным устройством. В западной Европе таких еще не было. Примером может служить применение суппорта на токарно-копировальном станке, построенном А.К. Нартовым в 1729 г. Суппорт перемещался в продольном направлении с помощью ходового винта, а специальный копир отводил резец от заготовки согласно заданному профилю будущего изделия. Токарно-винторезный станок с механизированным суппортом и набором сменных зубчатых колес был спроектирован Нартовым в 1738 г.

Нартов сконструировал и изготовил продольно-строгальный станок, строгально-копировальный станок, станок для фрезерования канавок на цилиндрических предметах, зубофрезерный станок, токарно-винторезный станок для изготовления крупных многозаходных винтов с механизированным суппортом и набором зубчатых колес.

Токарно-винторезный – для нарезания винтов с различным шагом - имел две системы привода, предназначенных для изготовления коротких винтов с малым числом ниток и для винтов значительной длины. Шпиндель опирался на подшипники двух стоек, в которых он мог вращаться и перемещаться по направлению своей оси. Между стойками располагался образец винта, соответствующий данным того винта, который требовалось нарезать. Образец легко и быстро устанавливался и снимался. Один конец имел замок, а другой был конусным и упирался в углубление на торце винта, служившего выдвижным центром. Между стойками – устройство для гаек, для образцовых винтов, т.е. набор пластинок. Ширина пластинки соответствует впадине нарезки одного из образцовых винтов. Пластинки шарнирно прикреплены. При вращении винта образец должен был перемещаться вдоль своей оси. Заготовка укреплялась на конце шпинделя и перемещалась соответственно шагу образца, находясь в контакте с резцом, закрепленным в суппорте. Резец снимал стружку и осуществлял на заготовке винтообразную впадину. На шпинделе устанавливался шкив, который шнуром связывался с маховым колесом ручного индивидуального привода. Это устройство было приводом, если изготовлялись длинные винты.

Принцип Нартова: установка образцового винта на одной оси со шпинделем и совместное движение винта и шпинделя по этому направлению был широко распространен и использовался до 30-х г.г. XIX века.

Нартов и другие русские мастера (М. Сидоров-Красильников, С. Шелашников, Я. Батищев) сконструировали в XVIII веке ряд металлорежущих станков (станки для сверления стволов пушек, различные агрегатные станки). Машины Батищева относились к станкам, которые в настоящее время называются многопозиционными. Однако изобретения русских мастеров не могли получить широкого применения и известности, т.к. потребность феодально-крепостни­ческой России в небольшом количестве машин (главным образом для изготовления вооружения) обеспечивалась отдельными небольшими заводами.

В Великобритании в конце XVIII века сложились благоприятные условия для развития машинного производства машин. К 1790 годам относятся работы английского механика Генри Модсли (1771-1831 г.г.) по созданию станка с механическим суппортом. Для изготовления замка нового типа, придуманного Джозефом Брама, требовалась высокая точность, превосходившая существующие тогда возможности. Замок предстояло выпускать большими партиями. Брама нанял к себе на работу Модсли. Брама в 1794 г. изготовил токарный станок с суппортом (это установил Л. Рольт - английский ученый и исследователь). Модсли был тогда у Брама на правах подмастерья, но таланта у него было не меньше.

Модсли продолжил работу самостоятельно в собственной мастерской при материальной поддержке известного скульптора Чендри. Его станок, созданный в 1797 году и, особенно, его усовершенствованный вариант, выпущенный в 1800 году, открыли новую эпоху в машиностроении. Он применил чугунную станину, которая состояла из 2-х трехгранных чугунных брусьев трех футов длины, скрепленных болтами с массивными чугунными опорами.

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

В действительности Модсли внес конструкцию токарного станка кроме суппорта три новшества, которые превратили его в универсальное устройство для самых тяжелых режимов обработки с высокой точностью: изготовление цельнометалической конструкции станины, получение точной плоской поверхности для перемещения салазок резца, разработка технологии точного изготовления ходового винта достаточной длины.

Хотя в токарных станках, изготовленных Модсли, нет ни одной особенности, которая ранее не была совершенно неизвестна, его станки оказались настолько совершеннее, что полностью отличаются от всех своих предшественников. Недаром на парадной лестнице Института инженеров-механиков в Лондоне на почетном месте установлена скульптура сына плотника – выдающегося инженера Модсли, работавшего с 12 лет кузнецом и слесарем в знаменитом арсенале в Вулвиче. Кенсингтонский музей истории науки и техники в Лондоне имеет множество экспонатов, сделанных руками и головой Модсли. С 1942 г. существует общество Модсли. Ренни Модели – праправнук Генри Модели, ветеран второй мировой войны, был президентом "Общества Модсли" в 1981 г. Друзьями Модсли были скульптор Чендри, Майкл Фарадей, создатель парового молота и многих других устройств Нэсмит (1816-1890). Модсли и Несмит на глаз, вручную могли сделать плоскость, цилиндр, конус, сферу идеальной формы и с филигранной точностью. Однако в литературе имеются сведения, что в 1830 г. в Европе хорошим токарем считался тот, который мог сделать деталь с точностью до 1,6 миллиметра.

К началу промышленного переворота в Англии конструкции токарных станков достигли уровня, позволяющие изготовить на них металлические детали машин. Это важнейшее условие перевооружения промышленности. Это опровергает сложившееся в иностранной литературе представление, что механизированный суппорт с набором сменных зубчатых колес были единолично изобретены и введены на рубеже XVIII-XIX веков англичанином Генри Модсли. Его заслуга состоит в том, что он в конструктивном отношении удачно оформил разработанные до него идеи и внедрял элементы механизации во все изготовляемые им станки. Это направление деятельности Модсли соответствовало требованиям эпохи и принесло ему заслуженный эффект. Станки, созданные им позволили организовать массовое производство.

Мастера Древней Руси делали резцы из нескольких материалов. Такие резцы в сечении представляют собой трехслойный пирог. Слои были разной твердости или же резцы имели стальную закаленную головку с режущим лезвием, приваренную к стержню из мягкого жезла. В Х в. резцы новгородцев для внешнего точения имели вид обыкновенных стамесок с прямым или наклонным лезвием. Несколько позже наряду с такими прямыми резцами стамесками появились изогнутые и даже с зазубринами на внешней дугообразной стороне. Этими зазубринами резец упирали, скорее всего, в деревянную станину станка, что значительно облегчало условия работы, позволяло снимать большую стружку и даже повышало точность обработки. Такие резцы с зазубринами просуществовали многие сотни лет - вплоть до 20-х г.г. нашего столетия.

В наше время резцы отличаются большим многообразием. Причина этого не стремление усложнить дело, а производственная необходимость как можно лучше приспособить резец под определенный вид работ. Для обточки наружных поверхностей служат проходные резцы. Когда необходимо проточить уступ перпендикулярно или наклонно к оси вращения детали, обработать ее торец, применяют подрезные резцы. Расточными резцами растачивают сквозные и глухие отверстия. Для получения резьбы на внутренних и наружных цилиндрических и конических поверхностях служат резьбонарезные резцы. Фасонными резцами воспроизводится контур детали или ее части. Отрезные резцы используют для отделения от заготовки ее части или уже обработанной детали.

Станок с револьверной головкой появился в 40-х годах девятнадцатого века. После наладки такого станка мастером неквалифицированный токарь выполнял на нем приблизительно до восьми различных операций.

Специальные вертикальные станки для расточки канала орудия появились в XIV в, а горизонтальные - в XVI в. Смитон сконструировал и изготовил в 1769 г. горизонтальный расточный станок с приводом от водяного колеса. Без горизонтального расточного станка, созданного в 1774 году Вилькинсоном, по свидетельству Уатта его паровую машину было бы невозможно изготовить. Вилькинсон поместил расточную головку на длинный жесткий стержень, проходивший через весь цилиндр и имевший опоры на своих обоих концах. К 1830 году последующие изобретатели довели его станок до современного вида.

8.2.3. Фрезерный и некоторые другие станки

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

Механический суппорт, перенесенный с токарного на другие металлорежущие станки, положил начало станкам с развитым исполнительным механизмом. В дальнейшем основные типы металлорежущих станков были сконцентрированы в Германии, Франции, США и других странах: над их созданием работали многие изобретатели [29].

Вскоре после появления шкива в приводе токарного станка такой же принцип передачи движения перенесли на строгальный станок. Первый строгальный станок для металла, аналогичный подобному устройству для обработки дерева, был создан французским механиком Никола Фокком в 1751 году. Однако современный вид продольно-строгальные и поперечно-строгальные станки приобрели только в XIX веке. Создание одного из первых строгальный станков в 1817 г. связано с именем Робертса. Однако существенно улучшенный вариант появился в 1835 году после работ, проведенных Витвортом (1803-1887), бывшим в течение восьми лет учеником Модсли, который также является автором нескольких моделей строгальных станков.

Устройство для нарезания зубьев появилось в XII веке. Делительная головка была создана значительно позже – в XVI веке. Первый зуборезный станок появился в Дрездене в 1564 г. Во Франции в 1709 году Никола Бион создал станок для изготовления зубчатых колес для часового производства. Фрезерный станок для нарезания зубьев в нескольких модификациях был существенно усовершенствован к XVIII веку. Зуборезные станки автоматы появились в 70-х годах, а червячно-фрезерные – в 80-х годах XIX века.

В 1818 году Бланшар изобрел свой станок для изготовления ружейных лож, первый станок, позволявший по копиру делать изделие сложной формы. Это изобретение имело большую ценность. В том же году Уитни, ставшим известным благодаря созданной им хлопкоочистительной машине (см. раздел 3), построил первый универсальный фрезерный станок и фрезу, близкую к современным. Уитни разработал для своего оружейного завода несколько конструкций фрезерных станков. В 1829 патент на фрезерный станок был выдан на имя Джона Несмита, владельца крупных машиностроительных заводов, в 1861 – патент на усовершенствованный фрезерный станок на имя фирмы "Браун и Шари". Ко второй половине XIX века были в основном разработаны модели фрезерных, револьверных, строгальных доменных станков главным образом для удовлетворения нужд начавшегося дорожного строительства и океанского пароходства. Станки получили известность под маркой выпускавших их крупнейших машиностроительных фирм "Витворт", "Несмит", "Симерс", "Парт". Первый современный универсальный фрезерный станок появился в 1861-1862 годах.

Долбежный станок был создан в начале XIX в. (Брюнель и Модсли). В 1839 г. Бодмер (Швейцария) предложил карусельный станок.

Абразивные станки для заточки инструмента относятся к одним из ранних. Так в 1570 году описан станок, сделанный Фельдхаузом, в 1607 году – знаменитым механиком Цонка. Прогрессу в области абразивной обработки способствовало создание карборунда, синтезированного в электропечи с 1893 года. До этого использовали естественный корунд. Карборунд тверже и мелкозернистее корунда. Высококачественные искусственные абразивы существенно расширили применение шлифования и во многих случаях вытеснили непосредственное резание. Шлифование обеспечивает высокую производительность и большую точность, которая не может быть достигнута посредством резания.

8.2.4. Станки-автоматы

В 1835 г. Джозеф Витворт создал автоматический токарный винторезный станок. В США в годы гражданской войны появился первый станок-автомат, на котором несколько инструментов подводятся к изделию в определенной последовательности автоматически, а токарь только подает прутковые заготовки. Он был быстро внедрен в производство. Многошпиндельный станок появился в 1895 году. На нем изделие автоматически проходит через ряд позиций и на каждой подвергается одной или нескольким операциям.

В 1900 году итальянец Бонтемпи применил для копировально-фрезерного станка схему с гидромеханическим управлением, которая позволила уменьшить мощность управляющего сигнала по сравнению с выходной мощностью в тысячи раз. Копир и заготовка устанавливаются на одном столе и получают вращательное движение с одинаковой скоростью. Ролик движется по профилю копира, считывая с него информацию, необходимую для управления движением фрезы, однако движение ролика передается не поршню золотникового распределителя, который открывает доступ жидкости от насоса в ту или иную полости большого (силового) гидроцилиндра. При подаче жидкости под давлением в левую полость гидроцилиндра, из правой полости она будет выходить, а весь стол вместе с роликом и фрезой будет двигаться влево. Одновременно со столом, несущим фрезу, начинает перемещаться цилиндр золотника. Таким образом, начинает действовать цепь обратной связи, связывающая ведущую и ведомые части устройства в единую следящую систему с обратной связью. В 20-ые годы XX века гидравлический и пневматический приводы стали широко использоваться в различных металлорежущих станках для автоматизации процесса обработки.

Самая интересная особенность технического прогресса в период между двумя мировыми войнами заключалась в усилении тенденции к созданию автоматизированного оборудования. Эта тенденция стала предвестником той повальной автоматизации, которая в наши дни стала характерной чертой всех производств почти во всех странах. Токарные станки и другие машины для обработки резанием (лезвийная обработка) стали оснащаться приборами для измерения размеров и приспособлениями, которые автоматически останавливали машины, когда размеры попадали в установленный допуск на изготовление.

К числу самых полезных машин-автоматов относятся автоматическая литейная машина. В таких литейных автоматах изделия отливались с высокой скоростью в постоянные металлические формы (кокили). Эта машина не является узко специализированной. При замене кокилей возможно отливать изделия различной формы.

Суждение человека о явлениях вообще и о характере производства в частности осуществляется главным образом посредством зрения. Поэтому характерной особенностью рассматриваемого периода является создание "технического зрения" на основе фотоэлектрического эффекта, открытого в 1873 году американским физиком У.Смитом. Смит наблюдал так называемый внутренний фотоэффект, при котором выбитые из атомов электроны остаются внутри вещества и регистрируются по повышению электропроводности. В 1887 году Генрих Герц впервые наблюдал так называемый внешний фотоэффект, при котором атомы выбивают электроны из вещества. Русский физик Александр Столетов на основе тщательно проделанных экспериментов дал обстоятельное описание внешнего фотоэффекта. Представление Эйнштейна о свете как о потоке частиц позволило ему объяснить фотоэффект и дать соответствующую математическую модель. Объяснение фотоэффекта, данное Эйнштейном, не сразу получило признание физиков. Потребовались исследования Милликена, подтвердившие формулу Эйнштейна для фотоэффекта в видимой и ультрафиолетовой областях света. Альберт Эйнштейн получил Нобелевскую премию по физике в 1921 году за открытие законов фотоэффекта и за заслуги в области математической физики. Роберт Эндрюс Милликен получил Нобелевскую премию по физике в 1923 году за измерение электрического заряда электрона и за исследование фотоэффекта. Системы, преобразующие изменение параметров света в изменение электрического тока и далее с помощью усилителя и реле – в механические действия были созданы главным образом после второй мировой войны.

Военные нужды, например необходимость автоматического наведения зенитного орудия на цель, привели к быстрому развитию теории и практики автоматического управления. Работы по радиолокации увенчались большими достижениями по разработке электронных устройств, важных для всех видов автоматического управления. Автоматический контроль и автоматическое регулирование стали преобладающей тенденцией промышленного развития. Машина обрела способность самостоятельно выполнять длинную цепь сложных операций. Роль человека при этом сводится к конструированию и созданию машины, а также к поддержанию ее в работоспособном состоянии. Программируемая автоматизация и применение вычислительных машин являются самыми яркими штрихами современной жизни.

Наука о машинах, заменяющих человека и автоматически выполняющих задания, получила название робототехника (robotics). Этот термин происходит от чешского слова "робота", означающего воинскую повинность, а свое новое понятие получил от драматурга Карела Чапека в 1920 году. Через семь лет после премьеры пьесы Чапека американский инженер Джон Вексли сконструировал первый робот "Televox", выполняющий команды, передаваемые человеческим голосом. Важнейшим элементом робототехнических устройств является реле (relay) – электромеханическое или электронное устройство для переключения системы по сигналу от какого-либо слабого внешнего воздействия для получения более сильного сигнала. Этот термин заимствован из французского языка, где обозначает станцию, на которой производят замену уставших лошадей свежими для продолжения движения. Практические принципы робототехники впервые сформулировал англичанин С.В.Кенворд в 1957 году. Роботы стали широко использоваться в США при автоматизации производства прессформ для литья, выполнения литья под давлением и работ на различных металлорежущих станках. Также в США были изобретены роботы для точечной сварки на конвейерах. Робот для покраски деталей впервые появился в 1966 году в Норвегии. Современные роботы оснащаются механическими манипуляторами (с гидравлическим, пневматическим или электрическим приводом), датчиками различного типа и компьютером для управления.

8.3. Производство

8.3.1. Ремесленник становится рабочим

Ремесло не могло стать самостоятельной областью человеческой деятельности без достижений в получении избытков пищи. Это позволило содержать специалистов, исключенных из сферы производства продовольствия. И, наоборот, появление все более совершенных орудий позволяло повысить эффективность охоты, рыбной ловли, а впоследствии – земледелия и животноводства. В период появления первых цивилизаций возникли рабовладельческие мастерские, которые почти совершенно вытеснили бывших свободных ремесленников. С началом упадка Римской империи, когда победоносные армии перестали захватывать рабов, появилась нехватка рабочих рук. В средние века постепенно возрождался прогресс. Прежде общество делилось на слои от "божественного" императора до "скотоподобных" рабов. В новых условиях при господстве христианской и мусульманской этики труд стал достойным занятием и пользовался уважением. Следует отметить положительную роль монастырских орденов, в которых монахи должны были заниматься как физическим трудом, так и изучением грамоты, насаждая впервые традицию заинтересованности грамотных людей процессами производства. И крепостной крестьянин, и, особенно, крепостной ремесленник стояли на порядок выше раба-ремесленника. А искусный мастеровой, живущий в свободном городе, стал довольно весомым членом общества.

В средние века промышленность была служанкой сельского хозяйства, а политическая и экономическая власть сосредотачивалась в руках феодалов. Крупные феодалы были владельцами земли и крепостных. Последние иногда занимались не только сельским хозяйством, но и ремеслом, отдавая часть продукции в виде оброк своему хозяину. Типичным промышленным предприятием была мастерская. В городах с хорошо развитой промышленностью мастера объединялись в ремесленные цехи. Хозяин мастерской – самостоятельный ремесленник - являлся собственником всего оборудования и инструментов. Ему обычно помогали один-два подмастерья, которые готовились вскоре стать самостоятельными мастерами. Цехи были союзами ремесленников со своими уставами, обязательными для всех его членов. Устав требовал, чтобы ремесленники изготавливали вещи по определенному образцу из хорошего сырья. Хозяин или мастер должен был обеспечивать подготовку подмастерьев до их перехода к самостоятельной работе. Цехи отстаивали интересы своего объединения и следили, чтобы к ним не проникали неквалифицированные чужие люди. Цехи обладали и политической властью. Такая форма промышленной организации оставалась преобладающей почти во всех отраслях еще долгое время после средних веков.