Взаимозаменяемость

Инж. 3. ПЕРЛЯ

В 1856 году в Англии происходил очередной съезд деятелей промышленности. Известный английский инженер-механик того времени, создатель дюймовой резьбы, Витворт поставил на этом съезде вопрос: нельзя ли сделать так, чтобы любая нормальная английская свеча № 1 всегда приходилась бы точно по гнезду нормального английского подсвечника № 1, таким образом, чтобы ее не нужно было ни подстригать, ни обертывать бумагой. Конечно, Витворт не заботился в данном случае только о свечах в подсвечниках. Этот случай явился одним из наиболее показательных примеров повседневного соединения двух предметов и того неудобства и потери времени, которые имели место, если приходилось их подгонять друг к другу. У нас в обиходе много таких предметов.

Возьмем для примера хотя бы такие две пары постоянно соединяемых предметов, как мужская сорочка и воротничок, с одной стороны, или обувь и калоши — с другой.

В самом деле, сколько потери времени и неудобств возникло бы, если бы пришлось для покупки воротничка обязательно обмерять в магазине шею покупателя или каждый раз заниматься примеркой. To же самое относится к обуви и калошам. Примереть десяток-другой пар калош с тем, чтобы подобрать одну пару на свою обувь, — дело хлопотное. Ныне мы избавлены от этой заботы. Если калоши нужны для обуви № 41, достаточно спросить у продавца калоши № 10, и они должны прийтись впору, как и воротничок № 39 обязательно окажется подходящим по размеру для сорочки № 38.

Мы можем сказать, что воротнички № 39 взаимозаменяемы в отношении рубашки № 38, а калоши № 10 взаимозаменяемы в отношении обуви № 41 (и наоборот).

Взаимозаменяемость может иметь место там, где имеется соединение, то есть охватывающая часть (в наших примерах — воротничок, калоши) и охватываемая (ворот рубашки, обувь).

Если части соединения полностью взаимозаменяемы, то нет нужды в каких-либо работах по подгонке их друг к другу (ушивать воротничок или ворот рубашки, вкладывать бумагу в калоши).

Приведем еще ряд характерных примеров взаимозаменяемости изделий. Цоколь любой электролампочки, купленной где-нибудь во Франции или в любом другом месте земного шара, всегда ввернется в любой патрон, приобретенный хотя бы в магазине «Электросбыта» в Москве. Лезвие для безопасной бритвы, изготовленное в любой стране и на любой фабрике, всегда легко сядет своими тремя отверстиями на три штифта держателя и уложится в его размер.

До сих пор мы привадили для иллюстрации взаимозаменяемости так называемые стандартные изделия. Стандарт — английское слово и по-русски означает образец, мерило. Когда для широко распространенных в обиходе изделий (патрон, лампочка) или для часто применяемых в машиностроении деталей (винт, гайка) мы устанавливаем один или несколько типов, характеризующихся определяемым материалом, весом, размером, то такие изделия или детали называются стандартными. Если два стандартных изделия (или детали) предназначены для соединения, то их размеры рассчитываются таким образом, чтобы обеспечить их взаимозаменяемость в отношении друг друга. Благодаря этому стандартные изделия (детали) всегда взаимозаменяемы.

Когда части какой-либо машины изготовляются взаимозаменяемыми, это имеет огромное значение для потребителя. Если бы автомобиль ГАЗ или наши тракторы нельзя было бы ремонтировать, легко и скоро заменяя износившиеся части запасными, сколько лишнего времени, труда и средств убивали бы городские гаражи, колхозные мастерские! Наши же заводы (имени Сталина, ГАЗ, ЧТЗ), изготовляя взаимозаменяемые части, имеют возможность выпускать машины в массовом количестве и в короткий срок.

Чтобы научиться изготовлять части машин взаимозаменяемыми, машиностроителям пришлось много поработать.

*

Когда шестьсот лет назад, в начале XIV века, в Европе появилось огнестрельное оружие, первые пушки стреляли шаровидными снарядами —  ядрами, сначала обтесанными из камня, а затем, уже в конце XV века, —  отлитыми из чугуна. Заводов и фабрик тогда еще не было. Пушки и ядра изготовлялись отдельными мастерами — оружейниками. Каждый из них придавал своей продукции — пушкам — те размеры, которые ему лично казались лучшими. Ядра обтесывались или отливались по размеру дула (внутреннему диаметру) той пушки, из которой собирались стрелять. Специальных, более или менее точных, измерительных инструментов не было. Чтобы обеспечить ядрам нужный размер, пользовались самой пушкой. Изготовленное ядро закладывали в дуло пушки и толкали вдоль по каналу. Если ядро свободно входило и катилось по каналу, оно считалось годным. При таком способе ядро часто оказывалось меньше нужного размера. Промежутки (зазоры) между ними и стенками канала приходилось затыкать всякими материалами. Уже тогда потребности оружейного производства продиктовали необходимость определения не только наибольшего, но и наименьшего допускаемого размера ядер. Иными словами, еще в те времена появилась необходимость определять предельные величины одного и того же размера. А на этом в наше время, как мы увидим дальше, и основана организация производства взаимозаменяемых частей машин.

Количество огнестрельного оружия в армиях все увеличивалось, но пушки и ружья, изготовленные вручную, стоили очень дорого. Правители европейских стран не имели достаточных средств для приобретения и содержания многочисленной артиллерии. Поэтому в средние века города и даже отдельные организации имели свои пушки. Когда начиналась война, города и организации и даже отдельные граждане обкладывались налогом в виде артиллерийского снаряжения. На определенном месте, около резиденции короля, назначался сборный пункт, и туда свозился этот артиллерийский «налог»: один привозил пушку, другой — ядра, третий, — лафеты. И тут оказывалось, что снаряды не лезли в дула пушек, лафеты не подходили к пушкам, и вообще все снаряжение отличалось таким разнообразием в размерах, что приходилось тут же устраивать мастерскую по подгонке их друг к другу. Непригодность такого оружия и неудобства, которые возникали от необходимости приводить его в порядок, послужили толчком к развитию идеи создания взаимозаменяемых частей пушек и ружей.

Уже в XVI веке появляются, правда, еще грубые, размерные шаблоны для измерения диаметра пушечных каналов. Мастера-оружейники научились подгонять диаметр канала пушки под размер заранее выработанного шаблона, который обычно имел вид плоской, продолговатой пластины, ширина которой равнялась диаметру канала пушки. Ядра же по-прежнему грубо подгонялись под размер канала и проверялись путем прогонки через него. Уже в конце XVII века неизвестный рационализатор заменил дуло пушки простым кольцом, через которое очень удобно и быстро можно было пригонять изготовленные ядра.

Проверка размеров ядер в артиллерийском складе XVII века. Контролер работает, пропуская ядра через кольцо, которое он держит в руке на коленях.

В середине XVIII века это кольцо стали укреплять на специальном станочке. Контролер клал ядро на станочек, одевал на него кольцо, вертел его таким образом, чтобы проверить его круглость и размер. Если кольцо проходило через ядро свободно, но с небольшим зазором, оно считалось хорошим, и рабочий катил его по одной из наклонных поверхностей станочка в кучу годных ядер. Если же ядро либо вовсе не проходило через кольцо, либо проходило настолько свободно, что оставался слишком большой зазор, оно катилось по противоположной наклонной поверхности — в брак. Насколько велик зазор, можно ли его допустить, решал сам рабочий на глазок.

Механизированная проверка ядер в артиллерийском складе XVIII века. Если кольцо проходило через ядро свободно, но с небольшим зазором, оно считалось хорошим, и рабочий катил его по одной из наклонных поверхностей станка в кучу годных ядер. Если же кольцо либо вовсе не проходило через ядро, либо проходило настолько свободно, что оставался слишком большой зазор, оно катилось по другой наклонной поверхности в брак.

В течение почти всего XVIII века потребность во взаимозаменяемых частях не была еще настолько велика, чтобы обусловить необходимый скачок вперед в области обработки металла и техники измерений. Только в самом конце XVIII и начале XIX века производство взаимозаменяемых частей начало ощутительно развиваться, особенно в Соединенных штатах Америки.

Огромные армии капиталистических стран значительно повысили спрос на ручное огнестрельное оружие. Потребность в ружьях исчислялась сотнями тысяч. На полях битв запасы быстро уничтожались. Отдельные государства загружали свою молодую металлообрабатывающую промышленность большими военными заказами, но предъявляли к ней новые требования: быстро и дешево изготовить ружья, а также добиться взаимозаменяемости одноименных деталей без пригонки их по месту.

В XVI веке оружейники научились подгонять диаметр канала пушки под размер заранее изготовленного шаблона, который имел вид плоской пластины. Ширина этой пластины равнялась диаметру канала пушки.

...В конце XVII века неизвестный paционализатор заменил дуло пушки простым кольцом, через которое очень удобно и быстро можно было пригонять изготовленные ядра.

Измерительные инструменты артиллерийского производства конца XVI и начала XVII века. Слева виден кронциркуль для предварительного обмера наружного диаметра ядра.

*

Отдельные попытки организовать производство взаимозаменяемых частей имели место уже в конце XVIII века.

В 1798 году в Вашингтоне происходил очередной съезд членов Конгресса — законодательного органа США. В повестке дня одного из заседаний значилось: «Доклад фабриканта Эли Уитнея о поставке правительству партии ружей со взаимозаменяемыми частями». Вокруг этой поставки возникла обычная для капиталистической конкуренции борьба: каждый фабрикант хотел заполучить выгодный заказ для себя. Пускались в ход все средства нажима на отдельных чиновников военного министерства и членов Конгресса. И вдруг Эли Уитней заявил о том, что его завод в состоянии поставить 10 тысяч ружей таким образом, чтобы любая деталь каждого ружья без всякой пригонки могла быть легко установлена на другое ружье этой партии. Таким козырем не обладал ни один конкурент Уитнея, и поэтому его противники готовились разбить все доводы о возможности такого производства. Однако, их ожидало жестокое разочарование. Доводов не было, равно как и длинных речей и рассуждений.

Заседание началось. Вошел Уитней, за ним двое слесарей внесли большой ящик и вскрыли его. Зрители увидели десять полностью собранных ружей. Слесари вынули их из ящика, вынесли на середину зала, разобрали все десять ружей на отдельные части и тут же смешали их в кучу. Затем они снова были собраны, причем в каждом ружье оказались детали, ранее входившие в другое. Так Уитней без слов доказал, что может изготовить партию взаимозаменяемых ружей.

Получив заказ на 10 тысяч ружей, Уитней выполнил условия взаимозаменяемости частей для всей партии оружия. Такое достижение произвело своего рода переворот в металлообрабатывающей промышленности.

Эли Уитнею понадобилось восемь лет для того, чтобы изготовить 10 тысяч взаимозаменяемых ружей. А во время империалистической войны американские заводы с налаженной системой массового производства изготовляли такое же количество взаимозаменяемых винтовок в срок, исчисляемый неделями. Разница в сроках объясняется не столько лучшей организацией производства, сколько более совершенным оборудованием и более точным способом измерения. В 1798 году Уитней располагал простейшим токарным станком, резцом и в лучшем случае —  штанген-циркулем. Взаимозаменяемость деталей достигалась благодаря мастерству и кропотливой работе отдельных рабочих, вручную подгонявших все одноименные части под размер одного образца. Поэтому почти на всем протяжении XIX века усилия машиностроителей были направлены к тому, чтобы улучшить качество машинной обработки металлов и упростить точный мерительный инструмент.

*

Если мы разберем любую машину на части, то убедимся, что каждая пара соединенных деталей представляет собой систему, состоящую из одной охватывающей детали с отверстием и одной охватываемой. Простейшая пара — гайка и винт. Здесь гайка — охватывающее отверстие, а винт — охватываемая деталь.

В 1838 году англичанин Хоутуорс предложил измерять все отверстия и охватываемые ими детали специально изготовленными для данного размера постоянными мерительными «пробками» или «скобами». Эти инструменты были названы нормальными калибрами, от французского слова «calibrer», что значит «измерять». Для отверстия таким калибром мог служить очень точно изготовленный валик, так называемая пробка, а для наружных размеров частей — кольцо или скоба. Само собой разумеется, что для каждого размера должен быть изготовлен отдельный набор этих инструментов. Изготовляя калибры, старались как можно точнее подогнать их под указанный размер.

Калибр-пробка.

Хоутуорс своим предложением возобновил старинную практику оружейных мастеров, еще в XVI веке начавших применять кольцо для обмера ядра, а пробку — для измерения диаметра канала пушки.

Нормальные калибры Хоутуорса явились значительным шагом вперед в области техники измерений в производстве; эти калибры значительно уточнили, удешевили и ускорили производство, но этого было недостаточно.

Пробка, измеряющая отверстие, гарантировала, что оно изготовлено не меньше заданного размера. Скоба, измеряющая вал, гарантировала, что он изготовлен не больше заданного размера. А как обеспечить, чтобы отверстие не вышло больше, а вал меньше заданного размера? Рабочий должен был обладать достаточно высокой квалификацией, чтобы на ощупь, по степени «болтанья» пробки в отверстии иди вала в скобе, определить пригодность деталей. Кроме того, на эти операции терялось много времени.

Изделие годно: одна сторона предельной пробки проходит в кольцо (рисунок слева).

Изделие брак: в кольцо предельная пробка не проходит (рисунок вверху).

Для конца XIX и начала XX века нормальные калибры уже не могли служить базой взаимозаменяемого производства. Экономически их применение было нецелесообразно.

Выход был найден в применении «предельных» калибров, введение которых привело к резкому развитию производства взаимозаменяемых частей машин. Так как предельные калибры являются прямым продолжением «теории допусков», рассмотрим, что она собой представляет.

Учение о допусках еще совсем молодо. Оно насчитывает всего 40—50 лет существования. В 1892 году на заводе германской фирмы Леве была применена система допусков, предложенная работавшим там молодым инженером Шлезингером. Через десять лет, защищая диссертацию на ученую степень доктора, Шлезингер опубликовал уже стройную систему допусков, которая постепенно внедрилась в германскую промышленность. Но только с начала империалистической войны (1914—1918 гг.) вместе с ростом производства военных заводов, paбота по допускам начала внедряться быстрыми темпами, главным образом в Германии, и к 1922 году в этой стране была разработана и опубликована общегосударственная система допусков — ДИН. Эта система послужила основой для систем европейских стран. У нас в Союзе существует своя система допусков —  ОСТ, изданная в 1929 году, основанная на учете всего зарубежного и нашего собственного опыта.

Теперь посмотрим, как применяются допуска в машиностроении.

В результате расчета мы получаем размер нужной нам детали какой-либо машины. Это и есть минимальный размер. Изготовить деталь точно с помощью нормального калибра по номинальному размеру невозможно. Всегда размер получится на сколько-нибудь больше или меньше. Для того чтобы заранее знать, в каких пределах наш номинальный размер может отклониться от своей величины, мы сами назначаем допуска, или допускаемые отклонения в обе стороны. Зная верхний и нижний предел этих отклонений, мы можем соответственно назначить и допуска для размера детали и этим обеспечить взаимозаменяемость.

Каким же образом «поймать» заданный размер в пределах допуска? Вот тут-то приходит на помощь предельный калибр — измерительный инструмент, позволяющий «ловить» размер в пределах допускаемых отклонений.

Еще в 1857 году англичанин Витворт начал измерять круглые отверстия предельным калибром—пробкой, а в 1882 году на заводе американской фирмы Пратт и Уитней уже применялись предельные калибры —  скобы — для приемки круглых железных прутков.

Что же представляют собой современные калибры?

В механическом цехе машиностроительного завода у окна отгорожена небольшая площадь. На столе лежат две кучки разных деталей. В одной из них мы узнаем валики. К столу подходит человек. Это один из цеховых контролеров. Он достает из футляра в ящике стола инструмент, почти совсем похожий на приплюснутую букву X, но только с загнутыми вовнутрь концами — это две скобы на одной рукоятке. В средней части инструмента значится цифра «40», у дуги — с одной стороны цифра «—0,050». Это и есть предельный калибр — скоба для измерения диаметров валов, номинальный размер которых равен 40 миллиметрам, допускаемое верхнее отклонение равно нулю, а нижнее — минус пятьдесят тысячных миллиметра или, что то же самое, минус пятьдесят микронов. Весь допуск, таким образом, равен: 40,0 — 39,950 = 0,050 миллиметра, то есть тоже пятьдесят микронов. Тот раствор ножек скобы, где значится «0», равен 40 миллиметрам, а другой — 39,950 миллиметра. Валик годен, если первая скоба легко под тяжестью собственного веса одевается на него, а вторая (меньшая), также под тяжестью своего веса, не одевается, а «закусывает» и не идет дальше. Таким образом, контролер имеет возможность, не располагая особой квалификацией, точно и быстро отсортировать детали, и очень скоро кучка валиков делится на две: годные и брак. Если очень точно перемерить микрометром забракованные валики, все они окажутся либо «полнее» 40 миллиметров, либо меньше 39,950 миллиметра.

Одна сторона предельной скобы под тяжестью своего веса вдевается в валик,

другая сторона (непригодная) "закусывает" изделие — валик годен.

Предельные калибры широко распространились приблизительно около 1895—1900 гг. Вместе с ними все больше и больше начало распространяться массовое производство взаимозаменяемых частей машин.

Теперь уж не только производство огнестрельного оружия нуждалось в такой организации. Появились машины массового потребления, автомобили, сельскохозяйственное оборудование, потребность в которых резко расширила спрос на взаимозаменяемые части.

Совершенствуя точность предельных калибров, изобретая все новые измерительные приборы, позволяющие с огромной быстротой и с большой точностью осуществлять проверку огромных партий одноименных частей, машиностроение в наше время полностью решило задачу, вставшую впервые перед оружейниками прошлых веков.

Нормальные калибры: кольца и пробки.