Прошлое токарного станка

Инж. В. КИЛЬЧЕВСКИЙ

До конца XVIII столетия металлические изделия обрабатывались почти исключительно ручным способом. Прямолинейные поверхности обрабатывались сравнительно просто и грубо. Молоток, зубило, пила — вот обычные инструменты, с помощью которых велась эта работа.

Но обработка круглых металлических деталей представляла значительно большие трудности. Здесь требовались какие-то совершенно иные приспособления, специальные машины, принципы и конструкции которых весьма смутно рисовались в представлении тогдашних техников.

О том, какие необычайные трудности представляла собой обработка металлических изделий в то время, видно хотя бы из следующего рассказа старого английского мастера Рихарда Райнольдса:

«Мы сегодня начали с расшлифовки чугунного цилиндра, диаметром внутреннего сечения в 28 дюймов и 9 футов длиною, для угольных коней в Эльфингстоне. После того, как мы много раз теряли надежду, и три отливки были уже испорчены, — мы были в большом сомнении, удастся ли когда-нибудь закончить счастливым образом работу такого размера.

Но потребность шахты принудила нас еще раз испробовать, и мы благодарим провидение всемогущего, которое после тяжелого испытания помогло нам выполнить эту задачу.

После того, как мы прочно уложили цилиндр на заводском дворе вертикально на два обтесанные бревна, литейный мастер по свинцу должен был влить в цилиндр, опалубленный с двух сторон балками, массу свинца в 300 фунтов.

Свинцовую болванку мы скрепили с двумя железными связями и с канатами, за каждый из них тянули 6 сильных и лихих молодцов.

Затем мы влили масло и наждак в цилиндр и с помощью движения этой болванки туда и сюда шлифовали все время, немного вращая ее, пока поверхность цилиндра не сделалась гладкой. Так мы работали с громадным усилием и упорством, пока наконец не была достигнута такая правильность цилиндра, у которого большой диаметр отличался от малого меньше чем на толщину моего маленького пальца.

Это явилось уже достаточным поводом для большой радости, так как это был наибольший успех, о котором мы до сих пор слышали».

•

Особенно остро почувствовалась нужда в металлообрабатывающих машинах после изобретения Джемсом Уаттом в 70-х годах XVIII столетия паровой машины. Начавшееся вслед за этим широкое строительство паровых двигателей потребовало обработки крупных металлических деталей: цилиндров, котлов, поршней и т. п. Все старые методы резания, обточки, шлифовки крупных металлических изделий оказались явно негодными и неспособными удовлетворить огромный спрос на эти изделия. Необходимо было найти механический способ обработки металлов, способ достаточно точный и быстрый.

В XVIII столетии токарные станки не составляли особой редкости, но употреблялись они для обработки дерева.

Поэтому вполне естественно, что техническая мысль направилась по пути приспособления этих станков к обработке металлических изделий. Развитие техники обработки металла явилось как бы продолжением и усовершенствованием деревообделочных станков, приспособляемых к обработке иных изделий, значительно более твердых и сложных.

В первом периоде станкостроения изобретателями станков большей частью были квалифицированные мастера и рабочие-металлисты. Лучшей школой изобретательства были в то время различные мастерские и предприятия, где всякие несовершенства станков приходилось устранять тут же на месте и ежедневно решать задачи, выдвигаемые самой практикой обработки металлических изделий. Сейчас нет возможности установить точно подлинного изобретателя того или иного станка. Сплошь да рядом одни и те же станки изобретались совершенно независимо друг от друга в различных странах, разными людьми, иногда одновременно, а иногда и в различные моменты. Большей частью тот или иной станок представлял собой одно из звеньев в длинной цепи разных усовершенствований, вносимых в данную конструкцию. Здесь трудно сказать, кто же является изобретателем данной конструкции. Все — изобретатели и в то же время никто.

Однако очень часто станок носит имя того изобретателя, которому удалось в этот станок внести настолько существенные и принципиальные изменения и оформить его так, что создалась возможность практического, промышленного применения этого станка.

Вплоть до конца XVII столетия развитие металлообрабатывающих станков подвигалось очень медленно. Материалом для изготовления станков служило исключительно дерево с небольшими добавками металлических прутков, из которых изготовлялись центра и шпиндель станка. Деревянные станки быстро приходили в негодность от сырости и резких колебаний температуры.

Изобретение паровой машины и развитие текстильной промышленности в Англии конца XVIII столетия выдвинули эту страну на передовые позиции в станкостроении.

Почти все основные металлообрабатывающие станки, применяющиеся в промышленности, были изобретены и впервые построены в Англии. Основные принципы конструкций токарно-винторезных, расточных, сверлильных, строгальных станков, шепингов и т. д. были заложены в Англии в начале девятнадцатого столетия.

После 1850 г. темпы английского станкостроения начали заметно снижаться и первенство вскоре перешло в руки США.

Развитие американской промышленности началось особенно интенсивно после войны за независимость с Англией. Английские колонии в Америке были обширнейшим рынком, куда сбывала свои товары великобританская буржуазия. Поэтому она всячески тормозила основание собственной индустрии в Америке и запрещала колониям строить заводы.

Из этой войны США вышли победителями. Теперь Англия не могла уже запретить им строить заводы. Тогда в надежде все-таки удержать за своей страной индустриальную гегемонию английский парламент издал закон, запрещающий английским специалистам и квалифицированным рабочим выезжать из Англии.

Однако английские промышленники ошиблись в своих расчетах. Необходимость заставила американцев строить заводы и фабрики собственными силами, причем, несмотря на все запреты, небольшая часть английских мастеров все-таки пробрались в Америку. Отсутствие квалифицированных рабочих вынудило американцев заменять ручной кустарный труд машинным. Через некоторое время американские станки дали продукцию по качеству, дешевизне и быстроте изготовления лучше английских.

Огромная потребность в огнестрельном оружии во время войны за независимость очень жестко поставила вопрос о взаимозаменяемости деталей, а следовательно и точности их изготовления. Это вызвало появление новых станков, усовершенствование и улучшение старых конструкций, а также развитие автоматических механизмов узко целевого назначения.

Американские методы массового производства и введение взаимозаменяемости скоро сделались известными и в Европе.

В 1852 г., в период подготовки к Севастопольской войне, Англия, несмотря на то, что она являлась первой страной в мире по строительству стандартных металлорежущих станков, заказала в Америке 157 станков для массового производства оружия в Энфильдском арсенале. Этим шагом Англия как бы добровольно отдавала Америке свое первенство в данной отрасли производства.

К концу XIX столетия Америка уже прочно заняла первое место в мире и по строительству автоматов и оборудованию массового производства. Это ведущее положение до известной степени занимают американцы и в настоящее время.

В начале статьи мы привели рассказ старого английского мастера о том, как примитивно начал человек обрабатывать круглые металлические поверхности и в частности цилиндры.

Для того чтобы обточить внутреннюю поверхность цилиндра, необходимо ввести во внутрь полой отливки режущий инструмент и заставить его вращаться. При этом нужно соединить вращение режущего инструмента с поступательным перемещением либо самого инструмента либо обрабатываемого изделия. Это поступательное движение, называемое подачей, дает возможность обработать изделие по длине. Такая операция в отличие от обточки внешней поверхности отливки называется расточкой, так как здесь производится обработка внутренней поверхности.

Один из первых расточных станков для обработки металлических изделий был изобретен в 1765 г. Сметоном, который учел основные недостатки существующих способов расточки и шлифовки и попытался свой станок оформить более жестко и правильно. Этот станок дал возможность более удобно и с большей точностью обрабатывать круглые изделия.

Станок Сметона 1765 г.

Главное достоинство станка Сметона заключалось прежде всего в том, что приводился он в движение не человеком, а механической силой. Сметон использовал для этого энергию падающей воды, которая вращала мельничное колесо. Движение мельничного колеса передавалось через шестерни на вал, который вращал в свою очередь закрепленную на нем резцовую головку. Эта головка представляла собой диск, по окружности которого были расположены резцы (прототип современных разверток).

Обрабатываемое изделие устанавливалось на деревянную раму. Рама эта с помощью каната и ручной лебедки двигалась на колесиках навстречу вращающейся резцовой головке. Колеса рамы катились по деревянным доскам, играющим роль направляющих для правильного поступательного движения изделия.

Точность обработки могла быть достигнута только в том случае, если резцовая головка не провисала. Сметон сконструировал для этого специальную тележку. На тележке уравновешивался в горизонтальном положении рычаг, на котором с одной стороны крепился вращающийся вал резцовой головки, а с другой — подвешивался груз, удерживающий резцовую головку в равновесии. Тележка эта во время обработки изделия перемещалась в отверстии растачиваемого цилиндра.

Но как раз самым слабым местом в станке и была эта тележка. Она должна была передвигаться по всем неровностям отлитого цилиндра, в результате эти неровности отливки как бы копировались на расточенном цилиндре, и готовое изделие мало чем отличалось от своего первоначального вида.

Несмотря на этот недостаток, станком Сметона пользовались в течение многих лет, так как по тому времени он был все же наиболее совершенным.

Но вот в 1774 г. англичанин Вилькинсон конструирует свой станок. Он продолжил вал, вращающий резцовую головку, и укрепил его на подставке с другой стороны отливки, т. е. заменил тележку Сметона подшипниками. Теперь вал резцовой головки покоился на двух опорных точках. Благодаря такому креплению вала (скалки) положение резцовой головки не зависило от неровностей цилиндрической отливки, что давало уже значительно более точную расточку.

Станок Вилькинсона 1774 г.

Изобретение Вилькинсона означало поворотный пункт в истории станкостроения. Теперь возможно было достичь точности цилиндрической расточки с незначительными допусками.

Правда, конструкция и оформление станка оставляли желать много лучшего. Станок состоял почти целиком из дерева. Станина, т. е. все основание станка, представляла собой деревянную раму, которая, безусловно, не могла дать необходимой жесткости конструкции.

Наравне с расточными станками развивался и совершенствовался токарный станок, предназначенный для обточки круглых поверхностей с внешней стороны.

История оставила нам образцы первых токарных станков, существовавших в конце XVII и начале XVIII вв.

Станина, бабки и все остальные части станка изготовлялись исключительно из дерева. Одни только центра передней и задней бабки были металлические.

Оба центра, удерживающие изделие, представляли грубо заточенные болты, причем оба они были неподвижны. Неподвижные центры — общий недостаток станков того времени. Во время обработки на центра передаются значительные усилия, которые вместе с быстрым вращением, изделия создают между ним и центрами большое трение, приводящее в негодность центра, а следовательно нарушающее точность обточки.

В более поздних конструкциях передний центр вращался вместе с изделием. Это уменьшало его износ. В большинстве последних моделей и задний центр делается вращающимся вместе с изделием.

Приводом для вращения изделия служил шнур, обмотанный вокруг изделия и закрепленный нижним концом на ножной педали, а верхним — на конце пружинящей жерди или, как ее называли, лучка. Лучок укреплялся на потолке или в стене.

Один из первых токарных станков с приводом от жерди или лучка. Конец XVII и начало XVIII столетия

Резец, укрепленный на длинной палке, рабочий держал в руках, опирая его как рычаг на специальную подставку.

При нажиме ногой на педаль шнур заставлял изделие вращаться по часовой стрелке. Когда давление на педаль прекращалось, разгибающаяся жердь тянула шнур в обратном направлении. Заготовка вращалась против движения часовой стрелки и устанавливалась в первоначальном положении. Обработку изделия на таком станке можно было производить только периодически, в моменты нажатия на педаль, так как резец мог снимать стружку только в то время, когда изделие вращалось на его режущую грань. Чтобы обработать изделие при обратном вращении, пришлось бы перевертывать резец, что для рабочего было бы физически невозможным и нарушало бы точность работы.

•

Таким образом в этих станках был холостой ход.

Необходимо было разрешить две задачи. Во-первых, избежать холостого хода, т. е. добиться постоянного вращения обрабатываемого изделия в одну сторону. Во-вторых, надо было освободить рабочих от необходимости держать в руках инструмент, обтачивающий заготовку.

Решить эти задачи удалось лишь в конце XVIII столетия.

Одновременно с усовершенствованием токарных станков для обточки, развивающаяся промышленность требовала изготовления резьбы машинным способом. В 1785 г. был построен первый токарно-винторезный станок, удачно разрешивший задачу непрерывной обработки.

Станок этот имеет уже полный ножной привод с коленчатым валом, шатуном и педалью, с бесконечным ремнем, перекинутым через ступенчатый шкив. Такой привод дал возможность получить уже непрерывное вращение изделия в одном направлении. Это позволило производить обточку изделия непрерывно. Кроме того шпиндель, сделанный из железа и укрепленный в подшипниках из мягкого металла, имел на себе целый ряд резьб различных шагов и диаметров. Это давало возможность нарезать на изделии резьбу машиным способом. Правда, резьба по длине была очень короткой, не более 8— 10 см, но и это уже было огромным достижением.

Токарно-винтореэный станок 1785 г.

Метод получения резьбы в этом станке был несколько своеобразным. Рабочий держал врезанный в изделие резец, укрепленный на палке. Относительно этого неподвижного резца поступательно двигалась вращающаяся заготовка. Таким образом на изделии получалась резьба, точно соответствующая резьбе шпинделя.

Несмотря на все колоссальные преимущества данного станка перед станком с лучковым приводом, он имел все же один весьма существенный недостаток. Резец приходилось держать попрежнему в руках. Точность и прямолинейность обработанного изделия зависели исключительно от силы и твердости руки рабочего, направляющего инструмент.

Над разрешением этой задачи работали многие конструктора конца XVIII столетия в Англии, Америке и Франции. Но наиболее удачно вопрос о механическом резцедержателе разрешил английский мастер Модслей. Он укрепил резец в специальной державке, которая могла перемещаться в поперечном направлении к изделию. Державка эта, называемая супортом, помещалась на платформе (каретке). Это освобождало от необходимости держать резец в руках. Каретку Моделей скрепил при помощи гайки с винтом, расположенным параллельно обрабатываемому изделию. С помощью шестеренок вращение шпинделя согласовывалось с вращением винта. Вращающийся винт передвигал гайку, которая тянула за собой каретку, скользящую по специальным рельсам (направляющим). Таким образом этот так называемый ходовой винт и каретка полностью заменили руку рабочего. Но мало того, каретка и ходовой винт позволили обрабатывать изделия с значительно большей точностью и быстротой, чем на прежних станках. В короткое время его каретка и ходовой винт были приняты всеми станкостроителями.

Первый токарный винторезный станок Модслея 1797 г.

Изобретение Модслея необычайно сильно двинуло вперед станкостроение. Оно позволило осуществить конструирование всех известных нам станков с прямолинейным движением: строгальных, шепингов и др.

Первый токарно-винторезный станок Модслея был построен в 1797 г. Он был одним из первых станков, сооруженных целиком из металла. Точность работы этого станка теперь уже не зависела от колебания атмосферных условий. В этом станке для получения различных резьб Модслей применял сменные ходовые винты, что давало возможность получать резьбы различных шагов. Но уже в следующем станке, построенном им в 1800 г., шестерни, соединяющие шпиндель и ходовой винт, делались сменными. Таким образом . можно было при одном ходовом винте получать бесконечное множество резьб различных шагов.

Супорт и резцедержатель современного токарного станка

Несмотря на большие преимущества целиком металлического станка, станки деревянные не сразу уступили ему свое место. Еще долгое время в станкостроении применялось дерево совместно с металлом, т. е. основание и отдельные части станка делались деревянные, а направляющие — металлические. Объясняется это тем, что в начале XIX в. металлообрабатывающие станки делались небольшой мощности и с небольшими скоростями резания. Сам режущий инструмент был еще недостаточно усовершенствован. К металлообрабатывающему станку не предъявляли особо больших требований: его рассматривали не как конкурента вообще ручной работе, а просто как машину, дающую возможность сделать то, что нельзя сделать руками.

Дальше токарный станок начинает быстро совершенствоваться и видоизменяться, потребовались незначительные изменения, чтобы от токарного станка перейти к лобовому патронному. Этот станок позволял с помощью так называемого патрона или планшайбы обрабатывать и те детали, которые никак нельзя было укрепить в прежних станках.

Теперь можно было перейти к машиной обработке и прямолинейных поверхностей, которые до того обрабатывались исключительно ручным способом. Начинается новая страница в истории станка. Теперь станок начинает вытеснять ручной труд.

Современный мощный быстроходный токарный станок для обдирки и чистовой обточки крупных заготовок. Управление супортами и скоростями электрифицировано

Необычайно интенсивное развитие промышленности и техники в XIX столетии поставило перед станкостроением ряд новых и чрезвычайно высоких требований. Широчайшее применение решительно во всех областях производства стальных деталей, приспособлений и инструментов вызвало огромный спрос на колоссальное количество самых разнообразных металлических изделий. Надо было выпускать эти изделия уже в массовом масштабе, намного быстрее и дешевле, чем это делалось раньше. В связи с этим пришлось увеличить твердость режущих инструментов, быстроходность станков, их выносливость. Все это привело к созданию новых мощных станков, далеко превосходящих по своей производительности и точности работы первые металлообрабатывающие станки.

Но XIX столетие отличается в истории станкостроения не только простым увеличением мощности станков. Примерно с середины этого века намечается принципиально новый путь развития этой отрасли производства. Если первые металлообрабатывающие станки были до известной степени универсальными, т. е. на одном и том же станке обрабатывались самые различные виды заготовок, то с середины XIX столетия станкостроение в своем развитии пошло по новому пути: начинается конструирование и строительство большого количества разнообразных типов станков, приспособленных для обработки какого-нибудь определенного изделия. В станкостроении начинается специализация. Появляются новые, самые отличные друг от друга конструкции станков.

Однако несмотря на все их разнообразие, все они по сути дела представляют собой более или менее видоизмененный простой токарный станок.

Основные части токарно-винторезного станка 

Токарно-винторезный станок применяется в основном для обточки круглых (цилиндрических) деталей и для нарезания резьбы на круглом изделии. 

Поэтому в конструкцию токарного станка должны входить следующие части: во-первых, детали, вращающие обрабатываемый предмет и поддерживающие его таким образом, чтобы он мог вращаться около своей геометрической оси и, во-вторых, детали, удерживающие надежно резец и сообщающие ему продольную подачу (параллельно оси предмета) и поперечную (перпендикулярно оси). 

На станине (14) укрепляется с левой стороны неподвижная передняя бабка (3), в подшипниках которой вращается шпиндель (2). В шпинделе имеется отверстие, в которое вставляется стальной закаленный и отшлифованный центр (4), оканчивающийся конусом и носящий название переднего центра. На шпиндель надевается ступенчатый шкив (1), который получает вращение от ременной передачи и передает вращение шпинделю, а следовательно и центру. На другом конце станины (14) помещается задняя бабка (11), называемая также подвижной, так как она может передвигаться вдоль станины и закрепляться в любом месте. В шпинделе задней бабки (10) имеется отверстие, в которое вставлен задний центр (5); благодаря тому, что шпиндель задней бабки (10) может несколько выдвигаться вперед посредством вращения маховичка (12), расстояние между центрами (4) и (5) можно в известных пределах регулировать. 

Оба центра (4) и (5) устанавливаются строго на одной прямой, параллельно верхним направляющим станины (9). Эта прямая называется линией центров, а расстояние ее до направляющих станины, носящее название высоты центров (I), представляет собою один из характерных показателей станка, так как эта величина дает возможность судить о том, какой максимальный диаметр изделия можно обрабатывать на данном станке. 

Вторая величина, определяющая размер станка — это наибольшее расстояние L. между центрами, говорящая о том, какой длины можно обтачивать изделие на данном станке. 

На торцах обрабатываемого изделия делаются так называемые центровые углубления, пользуясь которыми изделие можно устанавливать на центрах (4) и (5) и слегка зажать посредством маховичка (12). 

Резец закрепляется в супорте (8), который состоит из нескольких частей: нижняя часть (6), называемая салазками, установлена на станине (14) и может скользить вдоль ее направляющих с помощью ходового винта (13) (если это перемещение нужно для нарезания резьбы) или ходового валика (15), дающего менее точное линейное перемещение, чем ходовой винт. 

Продольное перемещение салазок носит название подачи резца. 

Верхняя часть супорта (7) устроена так, что она может перемещаться вдоль направляющих, сделанных на салазках (6) и расположенные перпендикулярно к линии центров; таким образом резец, укрепляемый в отверстии (16), получает поперечную подачу.