«Экономика манипуляций в мастерской: Логический метод изучения конструктивной механики»

Ученик может получить ясное представление об этом процессе вентиляции, осмотрев трубчатые стержневые ящики, такие как те, что используются при формовке труб или полых колонн, или изучив обычные стержни в литейном цехе. Обеспечение какого-либо способа «отвода газов», как это называют формовщики, будет найдено в каждом случае. Вентиляция форм даже важнее, чем вентиляция стержней, потому что стержневые газы отводят только газ, образующийся внутри самого стержня, в то время как газ с его внешней поверхности и со всей формы должен найти средства для быстрого выхода из опок, когда входит горячий металл.

Учащийся, несомненно, удивится, почему для формовки используется песок, а не какой-то более адгезивный материал, например глина. Если он не слишком брезглив для эксперимента и приложит комок влажного формовочного песка ко рту и выдохнет воздух через массу, вопрос будет решен. Если бы не пористая природа песчаных форм, они были бы разорваны на куски, как только в них вошел бы горячий металл; не только из-за механического расширения газа, но часто из-за взрыва при сгорании. Газовые струи из форм, как можно увидеть в любое время при заливке отливок, загораются и горят так же, как светильный газ.

Если бы не обеспечение выхода газа, формы можно было бы изготавливать из пластичного материала, чтобы получать качественные отливки с четкими острыми контурами.

Средства поддержки стержней должны быть разработаны или, по крайней мере, поняты модельщиками; эти опоры состоят из «знаков» и «анкеров». Знаки — это расширения стержней, которые выступают через отливку и входят в стороны формы, чтобы удерживаться песком или опокой. Знаки стержней имеют дубликаты на моделях, называемые стержневыми знаками, которые имеют или должны иметь другой цвет, чем модели, чтобы отличать одно от другого. Количество поверхности, необходимое для поддержки стержней, зависит от их веса, или, скорее, от их кубического объема, потому что вес стержня — это пустяковое дело по сравнению с его выталкивающей силой, когда он окружен расплавленным металлом. Ученик, изучая устройства для поддержки стержней, должен помнить, что основная требуемая сила — это удерживать их, а не нести их вес. Выталкивающая сила стержня равна разнице между его весом и весом твердого тела из металла того же размера — вопрос, который формовщики часто забывают учитывать. Часто невозможно, исходя из характера отливок, иметь знаки, достаточно большие для поддержки стержней, и тогда это осуществляется с помощью анкеров, кусков железа, которые стоят как распорки между стержнями и опоками, или кусков железа, заделанных в песок для восприятия нагрузки от анкеров.

При конструировании моделей, где можно выбирать, использовать стержни или нет, и при подготовке чертежей для отливок, которые могут иметь либо ребристое, либо стержневое сечение, почти всегда лучше использовать стержни. Обычная оценка разницы между стоимостью формовки ребристых и стержневых сечений, а также скелетных и стержневых моделей, неверна. Расходы на стержни часто уравновешиваются преимуществом наличия «открытой формы», которая доступна для ремонта или отделки, а также большей долговечностью и удобством цельных моделей. Взяв, например, колонну или коробчатую станину для машин, которая могла бы быть сделана либо с ребристым, либо со стержневым сечением, на первый взгляд показалось бы, что модели для стержневой отливки стоили бы гораздо больше из-за стержневых ящиков; но необходимо помнить, что в большинстве моделей труд является основным расходом, и то, что теряется на дополнительном пиломатериале, необходимом для стержневого ящика, или при изготовлении цельной модели, во многих случаях больше, чем представлено в большем количестве труда, необходимого для конструирования ребристой модели.

Стержни расширяются при нагревании и требуют допуска в своих размерах, обратного моделям; это особенно касается случаев, когда стержни изготовлены на железных каркасах. Для цилиндрических стержней диаметром менее шести дюймов или длиной менее двух футов расширение не должно приниматься во внимание модельщиками, но для больших стержней требуется тщательный расчет. Расширение стержней зависит от количества тепла, передаваемого им, а количество поглощаемого тепла зависит от количества металла, который может окружать стержень, и его теплопроводности.

Усадка, или сжатие отливок при охлаждении, предусматривается путем добавления от одной десятой до одной восьмой дюйма на каждый фут в размерах моделей. Это простой вопрос, который выполняется путем использования усадочного масштаба при нанесении чертежей моделей из указанных размеров готовой работы; такие масштабы примерно на одну сотую часть длиннее стандартной шкалы.

Этот вопрос усадки — действительно единственное условие в изготовлении моделей, которое регулируется чем-то близким к постоянному правилу, и даже усадка иногда требует изменения для соответствия особым случаям. Для небольших моделей, размеры которых не превышают одного фута в любом направлении, формовка обычно компенсирует усадку, и в моделях не требуется никакого допуска, но модельщики настолько привержены правилу усадки как единственному постоянному в своей работе, что они не склонны допускать исключения и обычно придерживаются усадочного масштаба для всех деталей, больших или малых.

Внутренние или охлаждающие напряжения в отливках — это гораздо более сложная вещь, чем усадка: это, по сути, один из самых неопределенных и неясных вопросов, с которыми приходится сталкиваться модельщикам и формовщикам. Внутренние напряжения могут ослабить отливки или вызвать их разрушение при охлаждении, а иногда даже после того, как они закончены; и во многих видах работ такие напряжения должны тщательно предотвращаться как при подготовке конструкций, так и при расположении моделей, особенно для колес и шкивов со спицами, а также для стоек или распорок с обоими закрепленными концами. Основная трудность, возникающая в результате охлаждающих напряжений, однако, заключается в том, что отливки коробятся и деформируются; эта трудность постоянно присутствует в литейном и механическом цехах, и, возможно, нет проблемы во всем диапазоне механических манипуляций, по которой существует больше разногласий в мнениях и практике, чем по средствам предотвращения деформации отливок. Поскольку это так, ученик вряд ли может надеяться на большую информацию здесь. Нет сомнений в том, что деформация и напряжения в отливках являются результатом постоянных причин, которые могли бы быть полностью поняты, если бы не постоянно меняющиеся условия, существующие при литье, как в отношении формы деталей, температуры и качества металла, способа охлаждения и так далее.

Отливки, конечно, деформируются под действием неравномерных напряжений, вызванных тем, что одна часть остывает или «затвердевает» раньше другой. До этого момента все ясно, но следующий шаг уводит нас в темноту. Каковы различные условия, вызывающие неравномерное охлаждение, и как этого избежать?

Неравномерность охлаждения может быть результатом неодинаковой теплопроводности в разных частях формы или стержней, или это может быть из-за различных размеров отливок, которые содержат тепло в соответствии со своей толщиной и отдают его в том же соотношении. Как правило, низ или сторона разъема отливки остывает первым, особенно если форма стоит на земле и между отливками и землей мало песка; это распространенная причина неравномерного охлаждения, особенно в больших плохих деталях. Поскольку воздух является плохим проводником тепла, а песок обычно тонкий на опоке или верхней стороне, результатом является то, что верх форм остается довольно горячим, в то время как внизу земля, будучи хорошим проводником, отводит тепло и охлаждает эту сторону первой, так что железо «затвердевает» сначала внизу, впоследствии остывая и сжимаясь сверху, так что отливки коробятся и остаются с внутренними напряжениями.

Это лишь немногие из многих влияний, которые способствуют неравномерному охлаждению, и они описаны с целью дать ключ, по которому можно проследить другие причины. Отсутствие единообразия в сечениях, которое способствует неравномерному охлаждению, часто можно избежать без больших потерь путем распределения металла с учетом охлаждающих напряжений. Это, насколько касается дополнительного металла, необходимого для придания единообразия или для балансировки разных сторон отливки, является отходом, на который инженеры иногда неохотно соглашаются и часто пренебрегают в конструкциях для литых деталей; однако, как было сказано ранее, трудность неравномерного охлаждения может быть в значительной степени нейтрализована правильным распределением металла без потерь, если вопрос правильно понят. Никто не готов создавать конструкции для отливок, кто не изучил предмет охлаждающих напряжений как можно тщательнее, как на практических примерах, так и с помощью теоретических выводов.

Формовочный уклон, или конусность, необходимая для того, чтобы модели можно было легко извлекать, — это еще одно из тех неопределенных условий в изготовлении моделей, которые должны постоянно решаться суждением и опытом. Нередко можно найти правила для уклона моделей, изложенные в книгах, но трудно было бы найти такие правила, применяемые на практике. Уклон может составлять одну шестнадцатую дюйма на каждый фут глубины, или он может быть один дюйм на фут глубины, или уклона может не быть вовсе. Любое правило, рассматриваемое в отрыве от конкретных условий, только запутает учащегося. Единственный план понять правильную величину уклона для моделей — это изучить вопрос в связи с моделями и литейными операциями.

Модели, имеющие большую глубину, а также модели для отливок, которые после завершения обработки должны быть параллельными или прямоугольными, изготавливаются с минимально возможным уклоном. Если модель имеет простую форму, позволяющую легко извлекать ее из формы, ее можно формовать без конусности, при условии, что ее боковые стороны гладкие и хорошо отделаны. Детали, которые являются неглубокими и часто подвергаются формовке, для удобства должны иметь как можно больший уклон; поскольку величина уклона может соответствовать глубине модели, мы часто видим, что они изготавливаются с конусностью, превышающей один дюйм на фут глубины.

Литейщики обычно обстукивают модели настолько, насколько они могут выдержать, а зачастую и больше, чем они способны выдержать; при обеспечении уклона необходимо учитывать эти обычаи. Нет смысла принимать меры для исключения обстукивания, если только от него не планируется отказаться полностью.

Пластины для обстукивания, подъемные крюки и другие детали изготовления моделей быстро становятся понятными при наблюдении. Пожалуй, самое полезное предложение, которое можно дать в отношении подъемных крюков, заключается в том, что их следует устанавливать на нижней стороне моделей, а не на верхней, где их обычно размещают. Подъемная пластина, установленная таким образом, с отверстием, просверленным через модель для вставки подъемных крюков сверху, не может оторваться, что вполне вероятно, если она установлена на верхней стороне. Каждая модель, независимо от того, насколько она мала, должна быть оснащена железными элементами, если только это не какая-то незначительная деталь, включая штифты, а также подъемные и обстукивочные пластины. Если система подъемных крюков не соблюдается строго, литейщики не будут утруждать себя заботой о моделях.

В заключение, говоря о моделях и отливках, я скажу, что ученик должен полагаться главным образом на то, что он может увидеть и что ему объясняют в модельном и литейном цехах. Ему никогда не стоит бояться получить невежливый ответ на уместный вопрос, заданный в нужное время и в нужном месте. Механики, обладающие достаточными знаниями, чтобы дать полезную информацию о своем деле, неизменно обладают вежливостью и здравым смыслом, чтобы поделиться такой информацией с теми, кто в ней нуждается.

Ученик никогда не должен задавать вопросы о простых и очевидных вещах или о том, что он может легко узнать собственными усилиями. Чем сложнее вопрос, тем больше удовольствия квалифицированный специалист получит от ответа на него. Короче говоря, ученику следует тщательно обдумывать вопросы, прежде чем их задавать. Хороший план — записывать их, и когда требуется информация о литье, никогда не следует приходить в литейный цех, чтобы отвлекать мастера или литейщика во время плавки, или утром, когда никто не хочет, чтобы его беспокоили вопросами.

В связи с этой темой моделей и отливок я предложу план обучения, особенно применимый в таких случаях: выработать привычку представлять себе способ формовки и тип модели, используемой при изготовлении каждой отливки, которая попадает в поле зрения. Такая привычка за короткое время становится легкой и естественной и является верным средством приобретения обширных знаний о моделях и формовке.

Модельщик, едва увидев отливку, сразу представляет себе тип модели, использованной при ее формовке; литейщик представляет себе план формовки и отливки детали; в то время как инженер критически оценивает компоновку, пропорции, адаптацию и общий дизайн, и если он квалифицирован, как и должен быть, то также с первого взгляда обнаружит любые бесполезные расходы на модели или формовку.

(1.) Почему нельзя использовать обычные рабочие чертежи машины для изготовления моделей?—(2.) Что должно определять качество или долговечность моделей?—(3.) Как компоновка моделей может влиять на определенные части отливки?—(4.) Какие средства можно использовать, чтобы избежать внутренних напряжений в отливках?—(5.) Почему верхняя часть отливки менее качественна, чем нижняя или сторона, находящаяся в нижней опоке?—(6.) Для чего используются стержни?—(7.) Что подразумевается под вентиляцией формы?—(8.) Объясните разницу между формовкой в сырую и сухую песчаную форму.—(9.) Почему песок используется для форм?—(10.) Что обычно вызывает смещение стержней при литье?—(11.) Почему отливки часто деформируются или искривляются?—(12.) Что должно определять величину уклона, придаваемого моделям?—(13.) Какие средства обычно применяются, чтобы избежать напряжений при охлаждении в отливках?

ГЛАВА XXIII. КОВКА.

Производственные процессы в мастерской, которые поддаются систематизации, легче всего изучить. Когда процесс сведен к системе, он перестает быть предметом специальных знаний, а подпадает под общие правила и принципы, которые позволяют ученику в большей степени использовать свои способности к рассуждению при его освоении.

К этому положению можно добавить другое: цеховые процессы могут быть систематизированы или нет, в зависимости от того, состоят ли они в дублировании или в выполнении определенных операций неоднократно одним и тем же способом. В случае с моделями было показано, что не может быть фиксированных правил относительно их качества или способа их изготовления, и что то, как изготавливать модели, является вопросом специальных знаний и навыков.

Эти правила применимы к ковке, но иным образом, чем к другим процессам. В отличие от изготовления моделей или литья, общие процессы ковки единообразны; и, что еще более отличается от изготовления моделей или литья, существует измеримое единообразие в производимых изделиях, по крайней мере, в машинной ковке, где болты, винты и валы постоянно дублируются.

Особенностью ковки является то, что это своего рода ручной процесс, где суждение должно постоянно направлять операции, один удар определяет следующий, и хотя выкованные детали могут быть дубликатами, существует недостаток единообразия в способе их производства. Детали могут быть сформированы при белом сварочном нагреве или при низком красном нагреве, одним или двумя сильными ударами или дюжиной более легких ударов, при этом все это регулируется обстоятельствами работы по мере ее выполнения. Кузнец может не повторять операцию в течение всего дня точно таким же образом, и он не может в начале операции сказать, сколько времени потребуется для ее выполнения, или даже точно определить способ, которым он ее выполнит. Такие условия являются специфическими и применимы только к ковке.

Я считаю правильным указать на эти особенности не столько из-за их важности, сколько для того, чтобы предложить критическое исследование и развеять любые предвзятые мнения о том, что ковка — это простое дело, легкое в изучении и включающее только обыденные операции.

Первое впечатление, которое складывается у ученика о кузнечном цехе как о подразделении инженерного предприятия, заключается в том, что это черное, сажистое, грязное место, где выполняется своего рода грубая неквалифицированная работа — отдел, который не требует особого внимания. Насколько ошибочна эта оценка, станет ясно спустя годы, когда опыт продемонстрирует сложности и трудности ковки, и когда он обнаружит, что мастерство в этом отделе получить труднее и оно стоит относительно дороже, чем в любом другом. Ковка как отрасль работы требует, по сути, высочайшего мастерства и является той областью, где операция постоянно зависит от суждения рабочего, которое ни сила, ни машины не могут в какой-либо степени заменить. Грязь, тяжелый труд и жара удерживают людей от обучения ковке и создают предпочтение к отделочному цеху, что в большинстве мест приводит к диспропорции между количеством кузнецов и отделочников.

Ковка как процесс в машиностроении включает в себя формовку и придание формы ковким частям механизмов, сварку или соединение деталей вместе, подготовку инструментов для ковки и отделки, закалку стальных инструментов и, как правило, цементацию.

Рассматриваемая как процесс, ковка может быть определена как придание формы ковкому материалу с помощью ударов или сжатия, когда он становится мягким при нагревании. Что касается ручных инструментов и обычных ручных операций при ковке, то здесь нельзя сказать ничего, что было бы очень полезно для ученика. Во всех странах и на протяжении прошлых столетий ручные инструменты для ковки оставались практически неизменными; и достаточно посетить любой цех машинной ковки, чтобы увидеть образцы и типы стандартных инструментов. Нет смысла описывать клещи, обжимки, наковальни, пробойники и зубила, когда нет ничего в их форме или использовании, что нельзя было бы увидеть с первого взгляда; но инструменты и машины для применения движущей силы в процессах ковки заслуживают более внимательного рассмотрения.

Кузнечное оборудование состоит из прокатных станов, молотов с подъемным механизмом, паровых молотов, штамповочных молотов и пробойников, а также печей, горнов и воздуходувных аппаратов для нагрева. Общей характеристикой всех ковочных машин является наличие большой силы, действующей на коротком расстоянии. Очень немногие машины, за исключением самых больших молотов, превышают полдюйма рабочего диапазона, а в средних операциях — не более одной десятой дюйма.

Эти условия короткого диапазона и большой силы лучше всего достигаются тем, что можно назвать перкуссией, и машинами, которые действуют ударами, а не положительным и постепенным давлением; поэтому мы обнаруживаем, что ручные и силовые молоты являются наиболее распространенными инструментами среди инструментов кузнечного цеха.

Для приложения мощной силы, действующей на коротком расстоянии, ударные устройства гораздо эффективнее и проще, чем те, которые действуют за счет поддерживаемого или прямого давления. Головка молота может нанести удар, равный многим тоннам, благодаря своему импульсу, и поглотить реактивную силу, которая равна удару; но если бы равная сила должна была быть приложена винтами, рычагами или гидравлическим аппаратом, мы легко можем увидеть, что потребовалась бы опора, чтобы выдержать реактивную силу, и что такая опора потребовала бы прочности, возможно, превосходящей то, что могла бы придумать изобретательность.

Этот принцип несколько неясен, и природа ударных сил обычно не рассматривается — вопрос, который можно проиллюстрировать, рассмотрев действие простого ручного молотка. Мало кто, наблюдая за использованием молотка или используя его самостоятельно, когда-либо думает о нем как о двигателе, выдающем тонны силы, концентрирующем и применяющем мощность с помощью функций, которые, если бы выполнялись другим механизмом, потребовали бы систем зубчатых передач, рычагов или винтов; и что такой механизм, если бы он использовался вместо молотка, должен был бы лишиться той важной функции приложения силы в любом направлении, как могут направлять воля и руки. Простой ручной молоток в абстрактном смысле является одним из самых сложных механических агентов — то есть его действие труднее проанализировать, чем действие многих сложных машин, включающих системы механизмов; однако наше знакомство с молотками заставляет упускать этот факт из виду, и молотку даже было отказано в месте среди тех механических приспособлений, к которым было применено название «механические силы».

Пусть читатель сравнит молоток с колесом и осью, наклонной плоскостью, винтом или рычагом как агентом для концентрации и приложения мощности, сначала отметив принципы его действия, а затем рассмотрев его универсальное использование, и он придет к выводу, что если существует механическое устройство, которое охватывает четкие принципы, то это устройство — обычный молоток. Это действительно кажется одним из тех положений, призванных удовлетворить человеческую потребность, без которых механическая промышленность не могла бы существовать. При манипулировании почти любым видом материала молоток постоянно необходим для того, чтобы приложить силу, превышающую ту, которую могут приложить руки без помощи механизма для умножения их силы. Плотнику при забивании шипа требуется сила от одной до двух тонн; кузнецу требуется сила от пяти фунтов до пяти тонн, чтобы удовлетворить требования своей работы; каменщик применяет силу от ста до тысячи фунтов при забивании края своих инструментов; рубка, конопатка, по сути, почти все механические операции, состоят в большей или меньшей степени из ударов, причем такие удары являются приложением накопленной силы, затрачиваемой на ограниченном расстоянии.

Рассматриваемый как механический агент, молоток концентрирует силу рук и применяет ее таким образом, который отвечает требованиям различных целей. Если требуется большая сила, длинный замах и медленные удары дают тонны; если требуется лишь небольшая сила, короткий замах и быстрые удары будут достаточны — степень силы не только постоянно находится под контролем, но и направление, в котором она применяется. Другой механизм, если бы он использовался вместо молотков для выполнения аналогичной цели, должен был бы быть сложной машиной и действовать только в одном направлении или в одной плоскости.

Эти замечания о молотках приведены здесь не из любопытства и не с намерением следовать механическим принципам дальше, чем они могут объяснить фактическую манипуляцию, а как средство привлечения внимания к машинам ударного действия в целом, с которыми процессы ковки, как объяснялось ранее, имеют тесную связь.

Машины и инструменты, работающие посредством ударного действия, хотя они составляют многочисленный класс и применяются почти во всех механических операциях, никогда не получали в учебниках того внимания, которого требует важность этих машин и их широкое использование. Такие машины даже не были выделены в отдельный класс и не рассматривались отдельно, хотя различие между машинами с ударным действием и теми, которые можно назвать машинами прямого действия, вполне ясно как в способе работы, так и в общих планах конструкции. Конечно, нет недостатка в формулах для определения меры силы и вычисления динамического эффекта ударных машин, действующих против измеренного или предполагаемого сопротивления, и так далее; но это не то, что имеется в виду. Существуют определенные условия в работе машин, такие как нагрузки, которые приходятся на опорные рамы, эффект, производимый на ковкий материал при ударе или сжатии, и, в особенности, условия, которые могут сделать ударные или машины положительного действия применимыми для определенных целей; но было дано мало объяснений, которые были бы ценны для практиков.

Машины и инструменты, которые работают ударами, такие как молоты и штамповочные молоты, производят эффект за счет удара движущейся массы силой, накопленной на большом расстоянии, и расходующей сумму этой накопленной силы на объект. Реактивная сила, не передаваемая на рамы машины и не сопротивляемая ими, поглощается инерцией массы, которая нанесла удар; оборудование, необходимое в таких операциях, представляет собой только груз со средствами для его направления или управления, а также механизм для соединения с движущей силой. Ручной молоток, например, накапливает и применяет силу руки и выполняет все функции системы механизмов, но состоит только из блока металла и рукоятки для управления им.

Машины с прямым действием, такие как пробойники, ножницы или валки, требуют, во-первых, системы механизмов какого-либо вида для уменьшения движения от движущей силы, чтобы достичь силы; и, во-вторых, эта сила должна быть сбалансирована или сопротивляться прочной рамой, валами и подшипниками. Пробивная машина, например, должна иметь раму, достаточно прочную, чтобы противостоять тяге, равной силе, приложенной к работе; следовательно, рамы таких машин всегда представляют собой огромную массу, расположенную наиболее выгодным способом для встречи и сопротивления этой реактивной силе, в то время как основные детали штамповочной машины, способной приложить равную силу, состоят только из блока и пары направляющих для управления его курсом.

Если оставить в стороне проблемы механизма в ковочных машинах, адаптация процессов сжатия или ударных процессов регулируется главным образом размером и, следовательно, инерцией деталей, на которые воздействуют. Чтобы произвести надлежащий эффект, то есть заставить частицы детали двигаться по всей ее глубине при каждом ударе, необходимо поддерживать определенную пропорцию между молотом и деталью, на которую воздействуют. Для тяжелой ковки этот принцип привел к созданию огромных молотов для выполнения такой работы, которую никакие прессовые машины не могут быть сделаны достаточно прочными, чтобы выполнить, хотя действие таких машин в других отношениях лучше всего соответствовало бы условиям работы. Большая часть процессов ковки может выполняться либо ударами, либо сжатием, и, без сомнения, последний процесс является лучшим в большинстве случаев. Однако, как объяснялось ранее, оборудование для действия давлением гораздо сложнее и дороже, чем молоты и штамповочные молоты. Тенденция на практике, однако, направлена на более широкое использование процессов прессовой ковки.

(1.) Какая особенность присуща операции ковки, отличающая ее от большинства других?—(2.) Опишите в общих чертах, из чего состоят операции ковки.—(3.) Назовите некоторые машины, имеющие ударное действие.—(4.) Какое отношение этот принцип действия может иметь к раме машины?—(5.) Если бы паровой молот использовался как пробивная машина, какие изменения потребовались бы в его раме?—(6.) Объясните функции, выполняемые ручным молотком.

ГЛАВА XXIV. МОЛОТЫ С ПОДЪЕМНЫМ МЕХАНИЗМОМ.

Молоты с подъемным механизмом, используемые при ковке, имеют близкую аналогию с ручными молотками и, несомненно, были впервые предложены ими. Будучи старейшими из силовых ковочных машин и широко используемыми, будет уместно рассмотреть молоты с подъемным механизмом перед паровыми молотами.

Как было отмечено в случае с другими рассмотренными машинами, нет смысла описывать механизм молотов с подъемным механизмом; предполагается, что каждый ученик инженера видел такие молоты или может это сделать; и план здесь состоит в том, чтобы иметь дело особенно с тем, чего он не может увидеть и чему вряд ли научится при случайном наблюдении.

Одной из особенностей молотов с подъемным механизмом как машин являются механические трудности при соединении их с движущей силой, особенно в тех случаях, когда имеется несколько молотов, приводимых в действие от одного вала.

Внезапное и разнообразное сопротивление трансмиссионным валам имеет тенденцию ослаблять муфты, разрушать зубчатые передачи и создавать внезапные нагрузки, которые неизвестны в других случаях; и валы, расположенные с обычными пропорциями для передачи мощности, скоро выйдут из строя, если их применить для привода молотов с подъемным механизмом. Жесткие соединения или металлические крепления непрактичны, и проскальзывающий ремень, расположенный так, чтобы натяжение можно было изменять по желанию, является обычным и почти единственным успешным средством передачи мощности к молотам. Движение молотов с подъемным механизмом — любопытная проблема; головка и штамп, весящие вместе с железом для их крепления сто фунтов, при рукояти длиной восемь футов будут наносить от двухсот до трехсот ударов в минуту. Эта скорость превышает все, что могло бы быть достигнуто прямым возвратно-поступательным движением, придаваемым головке молота кривошипом, и намного превышает любую скорость, которая предполагалась бы из теоретических выводов. Рукоять молота, будучи деревянной, эластична и действует как вибрирующая пружина, ее вибрации находятся в унисоне со скоростью точек подъема. Вся машина, по сути, должна быть построена на принципе эластичности повсюду, и в этом отношении является исключением почти для любой другой известной машины. Рама для поддержки цапф, которая, по мнению неопытного человека, должна быть очень жесткой и твердой, оказывается лучше всего выполненной из дерева, и еще лучше, когда это дерево уложено таким образом, что позволяет конструкции пружинить и подаваться. Начиная с штампов и следуя назад через детали молота с подъемным механизмом к движущей силе, ученик может заметить, сколько частей способствуют этому принципу эластичности: во-первых — деревянная рукоять, как перед, так и позади цапфы; далее — цапфенный брус, который обычно представляет собой плоскую секцию, установленную на точках поворота; в-третьих — эластичность рамы, называемой «оболочкой», и, наконец, фрикционный ремень. Это даст представление об эластичности, необходимой при соединении головки молота с движущей силой, что следует иметь в виду, так как об этом будет упомянуто снова.

Еще одной характерной чертой молотов с подъемным механизмом является быстрота, с которой происходит кристаллизация в креплениях для удержания штамповых блоков на рукоятях, где не может быть вставлена эластичная среда для смягчения сотрясения штампов. Болты, проходящие через рукоять, хотя и изготовлены из самого волокнистого шведского железа, на некоторых видах работ не прослужат более десяти дней использования и часто ломаются за один день. Самый безопасный способ крепления штамповых блоков, и наиболее распространенный, — это выковывать их цельными, с проушиной или ободом, окружающим конец рукояти.

Рискуя выдвинуть положение, не оправданное наукой, я упомяну, в связи с этим вопросом кристаллизации, что металл, когда он расположен в форме кольца, по какой-то странной причине, кажется, избегает влияний, которые вызывают кристаллическое изменение. Ручной молоток, например, может изнашиваться и оставаться волокнистым; звенья цепей и шины колес повозок не кристаллизуются; даже шины на колесах локомотивов, кажется, противостоят этому влиянию, хотя условия их использования таковы, что способствуют кристаллизации.

Среди исключений из обычных планов конструирования молотов с подъемным механизмом можно упомянуть те, что используются в Американском арсенале в Спрингфилде, США, где небольшие молоты с жесткими рамами и рукоятями, последние длиной тридцать дюймов, выкованные из железа Lowmoor, работают со скоростью «шестьсот ударов в минуту». Однако в качестве примера они доказывают необходимость эластичности, поскольку рукояти и другие части приходится часто заменять, хотя выполняемая работа очень легкая, например, изготовление небольших винтов.

(1.) Что ограничивает скорость, с которой могут действовать возвратно-поступательные части машин?—(2.) Какова природа возвратно-поступательного движения, создаваемого кривошипами?—(3.) Может ли возвратно-поступательное движение быть равномерным в таких машинах, как силовые молоты, пилы или насосы?—(4.) Какой эффект в отношении скорости движения создается эластичными соединениями молота с подъемным механизмом?

ГЛАВА XXV. КРИВОШИПНЫЕ МОЛОТЫ.

Силовые молоты, работающие от кривошипного движения, адаптированные к более легким видам работ, теперь обычно встречаются в кузнечных цехах инженерных предприятий. Они обычно очень простой конструкции, и я упомяну только два момента в отношении таких молотов, которые могут быть упущены учеником при их осмотре.

Лица штампов остаются параллельными, независимо от того, насколько велика деталь, с которой работают, в то время как у молота с подъемным механизмом верхний штамп движется по дуге, описываемой от цапф рукояти, и лица штампов могут быть параллельными только в одном положении или при работе с деталями определенной глубины. Эта особенность параллельного движения штампов кривошипных молотов имеет большое значение для некоторых видов работ, и особенно для машинной ковки, где размер или глубина работы постоянно меняются.

Второй момент, который следует отметить в молотах этого класса, — это природа соединения с движущей силой. Во всех случаях будет найден эквивалент эластичной рукояти молота с подъемным механизмом — либо воздушные цилиндры, отклоняющие пружины, либо другие податливые крепления, — расположенные между кривошипом и головкой молота, а также проскальзывающий фрикционный ремень или фрикционные муфты для привода, как в случае с молотами с подъемным механизмом.

ГЛАВА XXVI. ПАРОВЫЕ МОЛОТЫ.

Прямое применение пара к ковочным молотам, без сомнения, является величайшим улучшением, которое когда-либо было сделано в ковочном оборудовании; оно не только упростило операции, которые выполнялись до этого изобретения, но и добавило много отраслей и расширило искусство ковки до целей, которые никогда не могли бы быть достигнуты, если бы не паровой молот.

Общие принципы действия молота, насколько они уже объяснены, применимы также к молотам, работающим от прямого пара; и ученик, формируя представление о паровых молотах, не должен впадать в распространенную ошибку, рассматривая их как машины, отличные от других молотов, или как работающие на новых принципах. Паровой молот — это не что иное, как обычный молот, приводимый в действие новой средой, молот, получающий мощность через посредство пара, а не ремней, валов и кривошипов. Паровой молот в своей самой совершенной форме настолько идеально адаптирован для выполнения различных условий, требуемых при силовой ковке, что, кажется, ничего больше не остается желать.

Имея в виду то, что было сказано об эластичном соединении для передачи движения и мощности к молотам, а также о смягчении вибрационных или возвратно-поступательных частей, можно увидеть, что пар как движущая среда для молотов выполняет следующие условия:—

Во-первых. — Мощность соединяется с молотом с помощью минимально возможного механизма, состоящего только из цилиндра, поршня и золотника, впускной трубы и дроссельной заслонки; эти немногие детали заменяют паровой двигатель, валы, ремни, кривошипы, пружины, шкивы, зубчатые передачи, короче говоря, все такие детали, которые требуются между головкой молота и паровым котлом в случае молотов с подъемным механизмом или кривошипных молотов.

Во-вторых. — Пар устанавливает максимально возможную эластичность в соединении между молотом и движущей силой и в то же время служит для смягчения ударов как в верхней, так и в нижней части хода, или только в верхней, как того требует случай.

В-третьих. — Каждый нанесенный удар является независимой операцией и может быть повторен по желанию, в то время как в других молотах такие изменения могут быть сделаны только на протяжении серии ударов путем постепенного увеличения или уменьшения их силы.

В-четвертых. — Нет прямого соединения между движущимися частями молота и рамой, за исключением боковых направляющих для головки молота; пар, будучи вставленным в качестве подушки на линии движения, сводит требуемую прочность и вес рамы к минимуму и избегает положительных нагрузок и сотрясений.

В-пятых. — Диапазон и сила ударов, а также время, в которое они наносятся, контролируются по желанию; это составляет величайшее различие между паровыми и другими молотами и конкретное преимущество, которое привело к их широкому использованию.

В-шестых. — Мощность может передаваться к паровым молотам через небольшую трубу, которая может быть проведена в любом направлении и на почти любое расстояние при умеренных затратах, так что молоты могут быть размещены в таких положениях, которые лучше всего соответствуют работе, и без привязки к валам или другому оборудованию.

В-седьмых. — Нет потери мощности из-за проскальзывающих ремней или других фрикционных приспособлений для градации движения; и, наконец, нет оборудования, которое должно быть в движении, когда молот не работает.

Имея в виду эти различные моменты, ученик получит как удовольствие, так и преимущество от отслеживания их применения в паровых молотах, которые могут попасть в поле зрения, и различные модификации механизма только сделают исследование более интересным.

Нужно заметить еще одну вещь, вопрос некоторой сложности, но без которого все, что было объяснено, не дало бы правильного представления о действии парового молота. Упоминаются движения клапанов.

Паровые молоты делятся на два класса — один с клапанами, перемещаемыми вручную, и другой класс с автоматическим движением клапанов.

Действие паровых молотов также можно разделить на то, что называется эластичными ударами и мертвыми ударами.

При работе эластичными ударами паровой поршень смягчается как при ходе вверх, так и вниз, и действие парового молота соответствует действию молота с подъемным механизмом, пар выполняет роль вибрирующей пружины; в этом случае молот наносит быстрый отскакивающий удар, импульс лишь частично тратится на работу и частично останавливается смягчением на паре в нижней части цилиндра под поршнем.

Помимо большей быстроты, с которой молот может работать при работе на этом принципе, ничего не выигрывается, а многое теряется; и поскольку этот вид действия является обязательным в любом молоте, который имеет «поддерживаемое или положительное соединение» между своими возвратно-поступательными частями и клапаном, возможно, справедливо предположить, что одна из причин, почему большинство автоматических молотов действуют эластичными ударами, заключается либо в недостатке знаний о правильном расположении клапанов, либо в механических трудностях при организации клапанного механизма для производства мертвых ударов.

При работе с мертвыми ударами пар не подается под поршень до тех пор, пока молот не закончит свой ход вниз и не израсходует свой импульс на работу. Настолько различен эффект, производимый этими двумя планами работы, что на большинстве видов работ молот весом пятьдесят фунтов, работающий мертвыми ударами, выполнит ту же работу, что и молот весом сто фунтов при действии эластичными или смягченными ударами.

Эта разница между мертвыми и эластичными ходами настолько важна, что она послужила причиной сохранения ручного перемещения клапанов во многих случаях, где многое можно было бы выиграть, используя молоты с автоматическим действием.

Некоторые производители паровых молотов настолько усовершенствовали автоматический класс, что их можно мгновенно изменить, чтобы работать либо мертвыми ударами, либо эластичными ударами по желанию, тем самым объединяя все преимущества обоих принципов. Это приводит паровой молот к состоянию, когда трудно представить потребность в дальнейшем улучшении.

Клапанный механизм автоматических паровых молотов для выполнения двух условий допущения мертвого или эластичного удара представляет собой один из самых интересных примеров механической комбинации.

Было сказано, что для нанесения мертвого или штамповочного хода клапан должен двигаться и подавать пар под поршень после того, как молот нанес удар и остановился на работе, и что такое движение клапана не может быть передано никаким поддерживаемым соединением между головкой молота и клапаном. Эта проблема решается соединением штампа или головки молота с некоторым механизмом, который, благодаря своему импульсу, будет продолжать «двигаться после того, как головка молота остановится». Этот механизм может состоять из различных устройств. Господа Мэсси в Англии и господа Феррис и Майлз в Америке используют качающийся рычаг-очиститель, который из-за своего веса или инерции замедляется и не следует за головкой молота близко при ходе вниз, но качается в контакт и открывает клапан после того, как молот полностью остановился.

Удерживая этот рычаг-очиститель постоянно в контакте с головкой молота, наносятся эластичные или отскакивающие удары, а добавлением веса в определенных положениях к рычагу-очистителю его движение замедляется настолько, что молот будет действовать как штамп или груз. Немецкая фирма использует сотрясение от удара для разъединения клапанного механизма, чтобы он мог упасть и осуществить это последующее движение клапанов. Другие инженеры достигают той же цели, используя импульс самого клапана, имея его соединенным с головкой через прорезное или податливое соединение, которое позволяет независимое движение клапана после того, как молот останавливается.

(1.) При сравнении паровых молотов с молотами с подъемным механизмом или кривошипными молотами, какой механизм заменяет или представляет пар?—(2.) Что можно назвать главным различием между паровыми и другими молотами?—(3.) При каких обстоятельствах желательно автоматическое движение клапана?—(4.) Почему мертвый или несмягченный удар наиболее эффективен?—(5.) Будет ли молот работать с воздухом так же, как с паром?

ГЛАВА XXVII. КОМПАУНД-МОЛОТЫ.

Еще один принцип, который следует отметить в связи с молотами и процессами ковки, — это инерция детали, на которую воздействуют, — вопрос немаловажной важности в более тяжелых видах работ.

Когда деталь помещается на наковальню и ударяется по верхней стороне с определенной силой, нижняя или наковальная сторона детали не получает равной силы. Доля удара поглощается инерцией ударяемой детали, и эффект на нижней стороне теоретически равен силе удара за вычетом эффекта смягчения и инерции деталей, на которые воздействуют.

На практике эта разница эффекта на верхней и нижней стороне, или между наковальной и молотовой сторонами детали, намного больше, чем можно было бы предположить. Податливость мягкого металла на верхней стороне смягчает удар и защищает нижнюю сторону от силы. Эффект, производимый ударом по горячему железу, не может быть оценен силой удара; требуется, используя технический термин, определенное количество силы, чтобы «сдвинуть» железо, и все, что меньше этой силы, имеет лишь небольшой эффект в перемещении частиц и изменении формы детали.

Из этого видно, что должна происходить большая потеря мощности при работе с крупными деталями, ибо какая бы сила ни поглощалась инерцией, она не оказывает эффекта на нижнюю сторону. Наблюдая за кузнецом, использующим ручной молоток, можно увидеть, что всякий раз, когда деталь, на которую воздействуют, тяжелее используемого молотка, на наковальне или нижней поверхности производится лишь небольшой эффект, если он вообще есть, и эта потеря эффекта — не единственная. Расходы на нагрев, которые обычно превышают расходы на придание формы поковкам, прямо пропорциональны количеству формовки, которая может быть сделана за каждый нагрев; и, следовательно, если обе стороны детали, вместо одной, могут быть одинаково затронуты, будет сэкономлена половина нагрева.

Другая цель, достигаемая равным воздействием на обе стороны крупных деталей, — это качество производимых поковок, которое обычно улучшается быстротой процессов формовки и ухудшается слишком частым нагревом.

Потеря эффекта из-за инерции деталей, на которые воздействуют, увеличивается с весом работы; не только потеря мощности, но и расходы на нагрев увеличиваются с размером деталей. Существует, однако, такая разница в механических условиях между легкой и тяжелой ковкой, что для любой работы, кроме тяжелого класса, было бы больше потеряно, чем выиграно при попытке воздействовать на обе стороны деталей одновременно.

Чтобы достичь двойного эффекта и избежать указанной потери, г-н Рамсботтом разработал то, что можно назвать компаунд-молотами, состоящими из двух независимых головок или таранов, движущихся в противоположных направлениях и действующих одновременно на детали, удерживаемые между ними.

Можно было бы предположить, что компоновка этих молотов двойного действия должна быть обязательно сложной и дорогой, но факт обратный. Тараны — это просто две массы железа, установленные на колесах, которые ездят по путям, как тележка, и удар молотов, насколько он не поглощается в работе, нейтрализуется друг другом. Никакой толчок или сотрясение не передается на раму или фундамент, как в случае с молотами одинарного действия, имеющими фиксированные наковальни. То же правило применяется при обратном ходе молотов, так как звенья, которые их перемещают, соединены вместе в центре, где мощность прикладывается под прямым углом к линии движения молота. Звенья, соединяющие два молота, составляют, по сути, коленчатый рычаг, причем паровой поршень прикреплен там, где они встречаются в центре.

Паровой цилиндр, который перемещает молоты, установлен в земле на некоторой глубине ниже плоскости, по которой они движутся, и даже когда выполняется самая тяжелая работа, нет ощутимого сотрясения, когда стоишь рядом с молотами, как это всегда бывает с теми, которые имеют вертикальное движение и являются молотами одинарного действия.

(1.) Почему эффект, производимый на верхней и нижней стороне детали, различен при ударе молотом?—(2.) Почему компаунд-молот не создает сотрясения и удара?—(3.) Какая механическая трудность возникла бы при подаче материала к таким молотам?—(4.) Что важнее, скорость или вес, в эффекте, производимом на нижней стороне деталей при ударе молотами одинарного действия?

ГЛАВА XXVIII. ЗАКАЛКА СТАЛИ.

Закалку можно назвать тайной кузнечного цеха; эта операция обладает тем притяжением, которое характеризует каждый процесс, являющийся таинственным, особенно такие, которые связаны с механическими манипуляциями или принадлежат к ним. Странная и, возможно, счастливая привычка ума — быть очень заинтересованным в том, что не очень хорошо понято, и игнорировать то, что способно к простому доказательству.

Старый кузнец, который простоял у горна два десятка лет, будет проявлять тот же интерес к процессам закалки, что и новичок. Когда предстоит закалить деталь, которая склонна к деформации или поломке, и риск велик, он приступит к этому с тем же рвением и интересом, с каким он делал бы это, когда учился своему ремеслу.

Никто не смог ясно объяснить, почему внезапное изменение температуры закаляет сталь, ни почему она принимает различные оттенки цвета при разных степенях твердости; мы знаем только факт, и то, что сталь, к счастью, обладает такими свойствами.

Каждый, кто использует инструменты, должен понимать, как их закалять, будь то для железа или дерева. Эксперименты с закаленными инструментами — единственный способ определения надлежащей степени твердости, и поскольку кузнецы, за исключением своих собственных инструментов, должны полагаться на объяснения других относительно надлежащей закалки, из этого следует, что закалка обычно является источником жалоб.

Закалка, как термин, используется для охвата как закалки, так и отпуска; как процесс, она зависит главным образом от суждения, а не от навыка, и не имеет такой связи с ковкой, чтобы выполняться только кузнецами. Закалка требует иного огня, чем те, что используются при ковке, а также большей осторожности и точности, чем могут проявить кузнецы, если нет печей и ванн, специально предназначенных для закалки инструментов.

Трудность, которая возникает при закалке инструментов, заключается в сжатии стали, которое происходит пропорционально изменению температуры; и поскольку время охлаждения пропорционально толщине или размеру детали, из этого, конечно, следует, что существует большое напряжение и тенденция к поломке более тонких частей до того, как более толстые части успеют остыть; это напряжение может произойти либо от охлаждения одной стороны первой, либо более быстро, чем другой.

Следующие положения относительно закалки охватывают основные моменты, которые следует соблюдать:

Постоянное сжатие стали при закалке соответствует степени твердости, приданной ей ванной.

Время, в течение которого происходит сжатие, соответствует температуре ванны и поперечному сечению детали; другими словами, тепло уходит постепенно от поверхности к центру.

Тонкие сечения стальных инструментов, будучи выступами из массы, которая поддерживает края, охлаждаются первыми, и если не предусмотрено мер, позволяющих сжатие, они разрываются.

Основной момент при закалке и максимум, что можно сделать, чтобы избежать неравномерного сжатия, — это применить ванну так, чтобы она действовала сначала и сильнее на самые толстые части. Если деталь коническая или в форме клина, толстый конец должен входить в ванну первым; зубило, например, которое достаточно широкое, чтобы создать опасность растрескивания, должно быть помещено в ванну головкой вниз.

Восходящие потоки теплой воды являются распространенной причиной неравномерного охлаждения и деформации стальных инструментов при закалке; вода, которая нагревается, поднимается вертикально, и малейший наклон детали от перпендикулярного положения позволяет теплому потоку течь вверх по одной стороне.

Самым эффективным средством обеспечения равномерного эффекта от закалочной ванны является сильное перемешивание, либо ванны, либо детали; это также увеличивает быстроту охлаждения.

Эффект закалочных ванн соответствует их проводящей способности; химикаты, за исключением тех случаев, когда они могут способствовать проводящим свойствам ванны, можно смело игнорировать. Для ванн, холодная или ледяная вода, насыщенная солью для экстремальной твердости, и теплое масло для инструментов, которые тонкие и не требуют очень высокой твердости, — это две крайности, вне которых ничего не требуется в обычной практике.

В случае инструментов, состоящих частично из железа и частично из стали, так называемой наварной стали, тенденцию к растрескиванию при закалке можно избежать в большинстве случаев путем ковки стального края при низкой температуре до тех пор, пока он не расширится настолько, что при охлаждении при закалке он будет сжиматься только до состояния покоя и соответствовать железной части; тот же результат может быть получен путем изгиба детали, придавая выпуклость стальной стороне перед закалкой.

Инструменты никогда не следует закалять путем погружения их краев или режущих частей в ванну, а затем позволяя теплу «стечь вниз» для достижения надлежащего отпуска на краю. Я прекрасно осознаю, что это нападение на общий обычай, но от этого он не становится менее неправильным. Инструменты, закаленные таким образом, имеют постепенно уменьшающийся отпуск от своего острия или края, так что ни одна часть не закалена должным образом, и они требуют постоянной перекалки, что портит сталь; кроме того, самый край, единственная часть, которая закалена до надлежащего оттенка, обычно портится нагревом и должна быть сточена, чтобы начать работу. Ни один токарь, который однажды имел набор инструментов, закаленных по всей длине путем медленного отпуска, либо в печи, либо на горячей плите, никогда не согласится на точечную закалку впоследствии. Железная плита толщиной от двух до двух с половиной дюймов, помещенная поверх огня для правки инструментов, создает удобное устройство для отпуска инструментов, помимо значительного добавления к удобству медленного нагрева, который почти так же важен, как медленный отпуск. Автор путем фактического эксперимента определил, что количество правки и закалки инструментов, не говоря уже о времени, потраченном на заточку инструментов, может быть уменьшено на одну треть при обычной машинной подгонке с помощью «печного отпуска».

Что касается оттенков, которые появляются при отпуске, или закалке, как это иногда называют, совершенно бесполезно повторять любые старые правила о «соломенном цвете, фиолетовом, оранжевом, синем» и так далее; ученик знает столько же после такой инструкции, сколько и до. Оттенки отпуска должны быть увидены, чтобы быть изученными, и поскольку вряд ли у кого-то будет потребность в таких знаниях до того, как появятся возможности увидеть выполнение закалки, предлагается следующий план для изучения различных оттенков. Возьмите восемь кусков литой стали длиной около двух дюймов, шириной один дюйм и толщиной три восьмых дюйма, нагрейте их до высокого красного каления и опустите в соляную ванну; сохраните один без отпуска, чтобы показать белый оттенок экстремальной твердости, и отполируйте одну сторону каждого из оставшихся семи кусков; затем отдайте их опытному рабочему, чтобы их отпустили до семи различных оттенков отпуска, варьирующихся от белого куска до темно-синего цвета мягкой стали. На обратной стороне этих кусков можно наклеить этикетки с описанием технических названий оттенков и общего использования, к которому адаптированы инструменты соответствующей твердости.

Это сформирует интересную коллекцию образцов и приучит глаз к различным оттенкам, которые после некоторого опыта будут мгновенно распознаваться при просмотре отдельно.

Можно заметить как общее правило, что твердость режущих инструментов «обратна твердости материала, который нужно резать», что кажется аномальным, и, без сомнения, так оно и есть, если рассматривать только режущие свойства краев; но все режущие края подвергаются поперечному напряжению, и величина этого напряжения обычно соответствует твердости материала, на который воздействуют; следовательно, степень отпуска по необходимости должна быть такой, чтобы защитить от поломки краев. Инструменты для резки дерева, например, могут быть намного тверже, чем для резки железа, или, чтобы сказать лучше, инструменты для резки дерева тверже тех, что обычно используются для резки железа; ибо если бы железные инструменты всегда были так же тщательно сформированы и так же тщательно использованы, как те, что используются при резке дерева, они могли бы быть одинаково твердыми.

Горны, пневматическое оборудование для дутья, оборудование для обработки крупных деталей и другие детали, связанные с ковкой, легко понятны из примеров.

(1.) Что заставляет инструменты гнуться или ломаться при закалке?—(2.) Какие средства можно использовать для предотвращения повреждения инструментов при закалке?—(3.) Можно ли получить оттенки отпуска на куске стали без закалки?—(4.) Что формирует предел твердости для режущих инструментов?—(5.) Каковы цели наварки инструментов вместо изготовления их из цельной стали?

ГЛАВА XXIX. ПОДГОНКА И ОТДЕЛКА.

Отдел подгонки или отделки инженерных предприятий обычно считается основным.