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

Процессы подгонки, будучи последними при конструировании механизмов, более тесно связаны с их использованием и применением; они состоят в организации или объединении результатов других процессов, проводимых в чертежном бюро, модельном цехе, литейном и кузнечном цехах.

Для неквалифицированных или для тех, кто не имеет всестороннего взгляда на инженерный бизнес в целом, отдел отделки и подгонки, кажется, составляет все машиностроение — впечатление, от которого ученик должен остерегаться, потому что только истинное понимание важности и отношений различных подразделений предприятия может позволить им быть тщательно или легко изученными.

Следовательно, необходимо помнить, что чистовая обработка — это лишь один из нескольких процессов, а слесарный отдел — лишь один из четырех или более отделов, между которыми следует распределять внимание.

Чистовая обработка как процесс является вторичной и не всегда обязательной; многие детали машин готовы к использованию сразу после ковки или литья и не требуют слесарной обработки. Тем не менее, цех чистовой обработки во многих отношениях должен считаться ведущим подразделением машиностроительного предприятия. Планы, чертежи и сметы всегда основываются на чистовых размерах деталей, когда они имеют точные параметры; следовательно, можно сказать, что проекты, чертежи и сметы проходят через слесарный цех и возвращаются обратно в литейный и кузнечный цеха. Таким образом, чистовая обработка, хотя и является последним процессом в порядке выполнения работ, во всех остальных смыслах — первый после чертежей. Даже размеры при изготовлении моделей, что, казалось бы, наиболее далеко отстоит от чистовой обработки, основываются на размерах для подгонки и в значительной степени должны быть скорректированы с учетом условий чистовой обработки.

При литье и ковке материал обрабатывается в нагретом и расширенном состоянии; характер этих операций таков, что точные размеры не могут быть достигнуты, поэтому как поковки, так и отливки должны изготавливаться с припуском, превышающим их чистовые размеры, чтобы учесть усадку и неровности. Чистовая обработка как процесс заключается в удалении этого излишнего материала и придании деталям машин точных размеров, когда материал находится при естественной температуре. Поскольку операции чистовой обработки, как уже говорилось, выполняются при нормальной температуре материала, это позволяет производить манипуляции, замеры и сборку деталей машин. А так как почти все остальные процессы связаны с нагревом, чистовую обработку можно назвать холодными процессами металлообработки. Операции слесарного цеха почти полностью состоят из резания, а также шлифования или абразивной обработки; это утверждение может показаться новым, однако данные операции охватывают почти все, что выполняется в рамках того, что называется слесарной обработкой.

Процессы резания можно разделить на два класса: цилиндрическое резание, как при точении, растачивании и сверлении, для получения цилиндрических форм; и плоское резание, как при строгании, долблении и резке, для получения плоских или прямоугольных форм. Абразивные или шлифовальные процессы могут применяться к формам любого вида.

Для дальнейшей классификации: станки для резания можно разделить на те, в которых движутся инструменты, а материал неподвижен; те, в которых движется материал, а инструменты неподвижны; и станки, которые включают комбинированное движение как инструментов, так и обрабатываемого материала.

Следует также отметить различие между машинной и ручной резкой. При машинной резке она выполняется по точным геометрическим линиям, при этом инструменты или материал перемещаются по жестким направляющим, как при строгании и точении; при ручных операциях, таких как опиливание, шабрение или рубка, инструменты перемещаются без жесткого направления и действуют по нерегулярным линиям.

Попытка обобщить операции слесарного цеха таким образом может показаться не самым практичным способом их понимания, однако по мере дальнейшего изучения применение этого метода станет более понятным.

Режущие инструменты включают почти все, что используется при чистовой обработке; к этому классу относятся токарные, строгальные, сверлильные и расточные, долбежные и фрезерные станки. Названные станки составляют то, что называется стандартным оборудованием, которое является необходимым и используется на всех предприятиях, где ведется общее машиностроительное производство. Такие станки строятся на принципах, по существу одинаковых во всех странах, и установились в довольно единообразную компоновку движений и узлов.

Помимо названных станков, на большинстве заводов можно найти специальные станки, предназначенные для выполнения определенных работ; благодаря особой адаптации такие станки становятся более эффективными, но из-за такой адаптации они непригодны для общих целей.

Общее машиностроение не может состоять в производстве дубликатов деталей или в операциях, выполняемых постоянно одним и тем же способом, как в обычном серийном производстве; поэтому было затрачено много усилий на адаптацию станков для общих целей — станков, которые редко избегают недостатков комбинирования, указанных в предыдущей главе.

Основные усовершенствования и изменения в станочной обработке в настоящее время заключаются в применении специальных инструментов. Токарный, строгальный или сверлильный станок как стандартный станок должен быть адаптирован к определенному диапазону работ, но очевидно, что если бы такие инструменты были специально настроены либо для самых крупных, либо для самых мелких деталей, входящих в их возможности, то за данное время можно было бы выполнить больше работы и, следовательно, с меньшими затратами. Также очевидно, что станки должны постоянно работать, чтобы быть прибыльными, и когда нет достаточного количества деталей одного вида, чтобы занять станок, он должен использоваться для различных видов работ; но всякий раз, когда имеется достаточное количество деталей одного размера, для которых должны выполняться определенные процессы единообразного характера, выгодно иметь станки, сконструированные так, чтобы максимально соответствовать требованиям специальной работы, без учета чего-либо другого.

Теперь предлагается рассмотреть стандартные инструменты слесарного цеха, отметив общие принципы их конструкции и, особенно, их работы; не для того, чтобы с помощью чертежей или описаний показать, что такое токарный или строгальный станок, или как какой-то конкретный инженер сконструировал такие инструменты, а по плану, изложенному во введении, предполагая, что читатель знаком с названиями и назначением стандартных станков. Если он не усвоил этого и не понимает названий и общих целей различных операций, выполняемых в слесарном цехе, ему следует ознакомиться с этим, прежде чем утруждать себя книгами любого рода.

(1.) Почему детали машин нельзя изготовить с точными размерами путем ковки или литья? — (2.) В чем разница между работой ручным инструментом и станком с точки зрения точности? — (3.) Почему ручной труд нельзя использовать при дублировании деталей машин? — (4.) В чем разница между стандартными и специальными станками?

ГЛАВА XXX. ТОКАРНЫЕ СТАНКИ.

В машинах преобладающей формой является цилиндрическая; в конструкциях, отличных от машин, тех, которые не предполагают движения, преобладающей формой является прямоугольная.

Движение машин в основном вращательное; а поскольку вращательное движение осуществляется цилиндрическими деталями, такими как валы, подшипники, шкивы и колеса, мы обнаруживаем, что большая часть станков направлена на подготовку цилиндрических форм. Если мы отметим площадь точеных, расточенных и сверленых поверхностей в обычных машинах и сравним с количеством строганых поверхностей, мы обнаружим, что первых не менее чем в два раза больше в более точных классах машин и в три раза больше в более грубых; исходя из этого можно приблизительно оценить пропорцию инструментов, необходимых для обработки цилиндрических и плоских поверхностей; предполагая, что режущие инструменты имеют одинаковую производительность в обоих случаях, пропорция составит три к одному. Эта разница между количеством станков, необходимых для цилиндрических и плоских поверхностей, еще больше увеличивается, если учесть, что инструменты действуют непрерывно на цилиндрических поверхностях и прерывисто на плоских.

На практике истинность этого положения полностью подтверждается избытком количества токарных и расточных инструментов по сравнению с инструментами для строгания.

Токарно-винторезный станок по многим причинам называют главным инструментом в слесарной обработке. Это не только ведущий инструмент, поскольку он выполняет большую часть работы; но токарно-винторезный станок как организованная машина сочетает в себе, пожалуй, большее количество полезных и важных функций, чем любая другая когда-либо созданная машина. Токарный станок может использоваться для точения, растачивания, сверления, фрезерования или нарезания резьбы, а с мощной винтовой подачей может в некоторой степени использоваться для строгания; что еще более странно, несмотря на эти различные функции, токарный станок является сравнительно простой машиной без осложнений или быстроизнашивающихся частей и не требует значительных изменений при адаптации его к различным названным целям.

Для фрезерования, сверления или растачивания обычных работ в пределах своего диапазона токарный станок отнюдь не является временным инструментом, а выполняет эти различные операции почти со всеми преимуществами станков, адаптированных для каждой цели. Изобретательный рабочий, который понимает адаптацию современного токарно-винторезного станка, может изготовить почти любой вид легкого оборудования без других инструментов, за исключением строгальных, и может даже выполнять строгание, если поверхности не слишком велики; таким образом, оборудование может быть изготовлено с затратами, не намного превышающими те, что были бы при использовании полного комплекта различных инструментов. Это, конечно, возможно только тогда, когда не требуется разделение труда и когда один человек должен выполнять все различные процессы точения, сверления и так далее.

Токарный станок как инструмент для создания винтовых форм занимал бы видное место среди станков, даже если бы он не был способен выполнять никакой другой работы; количество деталей машин, имеющих резьбу, поразительно; зажимные болты для удержания деталей вместе включают большую часть слесарной обработки на машинах всех видов, в то время как винты являются наиболее распространенным средством для увеличения мощности, изменения движений и выполнения регулировок.

Токарно-винторезный станок для чистовой обработки по существу состоит из прочной негибкой станины, вращающегося шпинделя с числом ступеней скорости от восьми до шестнадцати, задней бабки и подвижного суппорта для удержания и перемещения инструментов.

За последние полвека в токарно-винторезных станках не произошло значительных изменений, по крайней мере, не было добавлено ни одного нового принципа работы, но было сделано много улучшений в их адаптации и производительности для специальных видов работ. Были сделаны улучшения в средствах смены колес при нарезании резьбы и подаче, за счет фрикционного пускового механизма для суппортов, независимого механизма подачи для точения, приспособлений для регулировки инструментов, поперечной подачи и так далее, что, несомненно, добавило эффективности токарным станкам; но названные улучшения были в основном направлены на замену мастерства токарей.

Доказательство этого последнего положения заключается в том факте, что опытный токарь выполнит почти столько же работы и сделает ее так же хорошо на старом английском станке с простой винтовой подачей, как и на более сложных станках современной конструкции; но поскольку экономия мастерства иногда является равной или большей целью, чем экономия ручного труда, оценки производительности инструментов должны производиться соответствующим образом. Основные моменты токарного станка, которые наиболее легко могут повлиять на его работу, — это, во-первых, точность подшипников вращающегося шпинделя, который передает копию своей формы обрабатываемым деталям; во-вторых, совпадение линии шпинделя и движения суппорта; в-третьих, поперечная подача инструмента под прямым углом к движению шпинделя и суппорта; в-четвертых, долговечность трущихся поверхностей, особенно подшипников шпинделя и направляющих суппорта. К этому можно добавить много других моментов, таких как точность ходовых винтов, жесткость станин и так далее, но такие требования очевидны.

Чтобы избежать несовершенства вращающихся шпинделей токарных станков или любого бокового движения, которое могло бы существовать в рабочих подшипниках, было много попыток сконструировать токарные станки с неподвижными центрами на обоих концах для более точных видов работ. Такое устройство обеспечило бы истинное цилиндрическое вращение, но в то же время должно было бы повлечь за собой механическое усложнение, перевешивающее полученную цель. Кроме того, практикой доказано, что хорошая подгонка и хороший материал для подшипников и шпинделей токарных станков обеспечат всю точность, которую требуют обычные работы.

Можно заметить, что суппорты некоторых токарных станков перемещаются по так называемым V-образным направляющим, которые выступают над верхней частью станин, а в других токарных станках суппорты скользят по верхней части станин с плоской опорой. Поскольку эти два плана монтажа суппортов токарных станков привели к значительным дискуссиям со стороны инженеров, и поскольку их рассмотрение может подсказать план анализа других проблем подобного характера, я отмечу некоторые условия, существующие в обоих случаях, называя различные устройства именами плоских станин и станин с направляющими.

Эти различные планы будут рассмотрены сначала в отношении эффекта, производимого на движение суппортов; это включает трение, износостойкость, жесткость инструментов, удобство эксплуатации и стоимость конструкции. Режущая кромка как при точении, так и при растачивании на токарно-винторезном станке находится сбоку детали или почти на уровне центров токарного станка, и любое движение суппорта горизонтально поперек станка влияет на движение инструмента и форму обрабатываемой детали прямо пропорционально такому отклонению, так что параллельное точение и растачивание зависят главным образом от избежания любого поперечного движения или бокового люфта суппорта. Это, как в теории, так и на практике, составляет наибольшую разницу между плоскими станинами и станинами с направляющими; первые устроены специально для сопротивления отклонению в вертикальной плоскости, что имеет второстепенное значение, за исключением растачивания с помощью борштанги; вторые устроены для сопротивления горизонтальному отклонению, которое в девяти десятых работ, выполняемых на токарных станках, становится точной мерой неточности выполненной работы.

Истинное движение суппортов зависит от величины или износостойкости их опорной поверхности, того, как эта поверхность расположена по отношению к сопротивляемой нагрузке, и условий, при которых скользящие поверхности движутся; то есть, как они поддерживаются в контакте. Сила резания, которую следует учитывать в первую очередь, обычно падает под углом от тридцати до сорока градусов вниз к передней части, от центра токарного станка. Чтобы противостоять такой нагрузке, плоская станина не представляет поверхности под прямым углом к нагрузке; все опоры наклонные, и не только это, но и вся горизонтальная нагрузка падает только на одну сторону станины; по этой причине плоские станины приходится делать намного тяжелее, чем потребовалось бы, если бы сумма их поперечного сечения могла быть использована для сопротивления поперечной нагрузке. Эта трудность может, однако, быть в основном устранена многочисленными поперечными ребрами жесткости, которые можно найти в большинстве станин токарных станков с плоским верхом.

Суппорт, движущийся по угловым направляющим, всегда движется устойчиво и легко, без люфта в любом направлении, пока не будет поднят со своей опоры, что случается редко, и его поднятию легко противодействуют регулируемые клинья. Суппорт на плоской станине склонен иметь люфт в горизонтальном направлении из-за свободы, которая должна существовать для обеспечения легкого движения. В случае направляющих можно также упомянуть, что вес суппорта действует как постоянная сила, удерживающая его в устойчивом положении, в то время как при плоской станине вес суппорта в некотором смысле противодействует направляющим и не оказывает полезного эффекта в стабилизации или направлении. Жесткость и устойчивость движения инструмента общеизвестно в пользу треугольных направляющих, настолько, что почти все американские производители станков строят токарные станки таким образом, хотя это добавляет немалую стоимость при подгонке.

Можно также упомянуть, что токарные станки, сконструированные с угловыми направляющими, обычно имеют такие направляющие как для подвижных бабок, так и для суппортов; это дает преимущество прочного связывания двух сторон станины вместе при закреплении подвижной бабки, которая в действительности становится прочным ребром жесткости поперек станины; суппорты также имеют равный и независимый захват с обеих сторон станины. Прослеживая этот вопрос до сих пор, можно увидеть, сколько условий, возможно, приходится учитывать при рассуждении о столь, казалось бы, простом вопросе, как форма направляющих для суппортов токарных станков; мы могли бы даже перейти ко многим другим моментам, которые не были упомянуты; но то, что было объяснено, послужит доказательством того, что этот вопрос не является только делом мнения, и что без практических преимуществ производители станков не будут следовать наиболее дорогому из этих двух способов монтажа суппортов токарных станков.

Токарные станки, находящиеся в обычном использовании для слесарной обработки, — это токарно-винторезные станки, станки только для точения, станки с двойной передачей, одинарной передачей и перебором, станки для растачивания, токарно-ручные станки и станки для обточки шкивов; также комбинированные токарные станки с двойными бабками и двумя суппортами.

Эти различные токарные станки, хотя и имеют весьма разнообразную конструкцию и адаптированы к более или менее различным применениям, все же являются токарно-винторезными станками, либо с некоторыми из их функций, опущенными для упрощения и адаптации к какой-то специальной работе, либо с некоторыми из рабочих частей, скомбинированными для достижения большей производительности.

Что касается манипуляций на токарном станке, которые, пожалуй, труднее всего изучить из всех цеховых операций, даются следующие советы, которые могут оказаться полезными для ученика: в начале следует тщательно изучить форму инструментов; это один из главных моментов в токарной работе; величайшее различие между доскональным и посредственным токарем заключается в том, что один знает правильную форму и закалку инструментов, а другой — нет. Регулировка и подача инструментов вскоре изучаются на опыте, но правильная форма инструментов — дело более трудное. Одна из первых вещей, которую нужно изучить, — это форма режущих кромок, как в отношении зазора под кромкой инструмента, так и угла кромки, применительно как к точению, так и к растачиванию, потому что последнее отличается от точения. Угол токарных инструментов ясно показан на диаграммах, и нет лучшего первого урока по черчению, чем построение диаграмм углов резания для плоских и цилиндрических поверхностей.

Набор токарных инструментов должен состоять из всего, что требуется для любого вида выполняемой работы, чтобы не терялось время на ожидание подготовки инструментов после того, как они понадобятся. Обычный токарно-винторезный станок, работающий на обычных работах диаметром не более двадцати дюймов, потребует от двадцати пяти до тридцати пяти инструментов, которые послужат для любой цели, если их содержать в порядке и на месте. Рабочий может обойтись десятью инструментами или даже меньше, но не к своему удовлетворению и не быстрым способом. Каждый инструмент должен быть должным образом закален и заточен, готов к использованию «когда убран»; если инструмент сломан, его следует немедленно отремонтировать, независимо от того, когда он, вероятно, снова будет использован. Рабочий, который гордится своими инструментами, всегда будет обеспечен таким их количеством, какое ему требуется, потому что не требуется никаких вычислений, чтобы доказать, что пятьдесят фунтов дополнительных инструментов из литой стали, как инвестиция, — это лишь малая часть по сравнению с выигрышем в манипуляциях, имея их под рукой.

Для опытного механика одного взгляда на инструменты на токарном станке достаточно, чтобы судить о мастерстве оператора. Если инструменты заточены и готовы к использованию, имеют правильную форму и расставлены в порядке, чтобы их можно было достать без промедления, токаря можно сразу отнести к тем, кто обладает двумя главными квалификациями первоклассного рабочего, а именно: порядок и знание инструментов; в то время как, напротив, токарная доска, заваленная старыми отходами, зажимными болтами и сломанными инструментами, показывает отсутствие той системы и порядка, без которых никакое количество ручного мастерства не может сделать рабочего эффективным.

Также необходимо как можно скорее изучить технические термины, относящиеся к токарной работе, и еще важнее изучить общепринятые способы выполнения различных операций. Хотя токарная работа включает в себя широкий спектр операций, которые постоянно варьируются, существуют определенные планы выполнения каждой из них, которые по долгому обычаю стали общепринятыми; чтобы познакомиться с ними, ученик должен наблюдать за практикой лучших рабочих и следовать их планам, насколько он может, не рискуя никакими инновациями или изменениями, пока они не будут очень тщательно обдуманы. Любая попытка внедрить новые методы, способы закрепления работы, установки и заточки инструментов или другие обычные операции при точении может не только привести к неловким ошибкам, но и сразу положить конец полезной информации, которую иначе можно было бы получить от других. Технические термины, используемые при описании токарной работы, вскоре изучаются, обычно раньше, чем они нужны, и часто применяются неправильно, что хуже, чем быть невежественным в них.

При нарезании резьбы лучше не обращаться к тому ошибочному удобству, называемому таблицей колес, обычно выштампованной на какой-то части токарно-винторезных станков для помощи в выборе колес. Винт, который нужно нарезать, относится к ходовому винту на станке так же, как колесо на винте относится к колесу на шпинделе, и каждый рабочий должен быть знаком с таким простым делом, как расчет колес для нарезания резьбы, когда есть только один ряд колес. Колеса для нарезания резьбы можно рассчитать не только так же быстро, как прочитать из индекса, но преимущество знакомства со сменой колес очень важно в других случаях, и часто такие комбинации приходится делать, когда под рукой нет индекса.

Следующие темы предлагаются для изучения в связи с токарными станками и точением: скорость резания по железу, стали и латуни; относительная скорость конусов ремня, являются ли изменения по истинной возрастающей шкале от самой медленной; скорость подачи при различных изменениях, оцениваемая как нитки винта в количестве проходов на дюйм; пропорции конусных или ступенчатых шкивов для обеспечения равномерного натяжения ремня; теория люнета, используемого при точении гибких деталей; разница между наличием трех или четырех точек опоры для центровых или подвижных люнетов; лучшие средства проверки точности токарного станка. Все эти вопросы и многие другие являются предметами не только интереса, но и пользы при изучении манипуляций на токарном станке, и их изучение приведет к логическому методу решения проблем, которые будут постоянно возникать.

Использование ручных инструментов следует изучать, применяя их при каждой возможности. Очень многие из современных усовершенствований в токарно-винторезных станках предназначены только для того, чтобы избежать работы ручным инструментом, и во многих случаях не дают никакой экономии, кроме как в мастерстве. Токарь, который искусен в работе с ручными инструментами, на многих видах легких работ выполнит больше и сделает это лучше на ручном токарном станке, чем на токарно-винторезном; всегда есть больше или меньше того, что можно выполнить с преимуществом с помощью ручных инструментов даже на самых сложных токарно-винторезных станках.

Для опытного токаря нет ничего необычного в том, чтобы заблокировать суппорт и прибегнуть к ручным инструментам при многих видах работ, когда он спешит.

(1.) Почему машины включают так много цилиндрических форм? — (2.) Почему желательно иметь отдельные механизмы подачи для точения и нарезания резьбы? — (3.) Что дает фрикционный пусковой механизм, применяемый сейчас на более точных классах токарных станков? — (4.) Как можно проверить соосность токарного станка? — (5.) Какой вид отклонения суппорта токарного станка больше всего повлияет на точность выполняемой работы? — (6.) Как можно расточить овальное отверстие на обычном токарно-винторезном станке? — (7.) Как можно прострогать угловые направляющие токарного станка и соответствующие пазы в суппорте, чтобы они подходили друг к другу без использования калибров? — (8.) Укажите количество зубьев в двух колесах для нарезания резьбы с десятью нитками, когда ходовой винт имеет четыре нитки на дюйм?

ГЛАВА XXXI. СТРОГАЛЬНЫЕ ИЛИ ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНЫЕ СТАНКИ.

Термин «строгание» должен правильно применяться только к станкам, которые производят плоскости или плоские поверхности, но техническое использование этого термина включает всю резку, выполняемую по прямым линиям, или тем, что можно назвать прямым движением инструментов.

Поскольку никакое движение, кроме вращательного, не может быть непрерывным, а вращательное движение инструментов почти исключительно ограничено формованием цилиндрических деталей, правильным различием между станками, которые работают по прямым линиям, и теми, которые работают с круговым движением, будет называть их именами вращательных и возвратно-поступательных.

Можно заметить, что все станки, кроме фрезерных, которые действуют по прямым линиям и производят плоские поверхности, имеют возвратно-поступательное движение; этот класс включает строгальные, долбежные и поперечно-строгальные станки; они вместе с токарными станками составляют почти все оборудование обычного слесарного цеха.

Странно, учитывая простоту конструкции и очень важную роль, которую выполняют станки для резания на плоских поверхностях, что они не были изобретены и применены в металлообработке раньше. Многие люди, все еще работающие на чистовой обработке, могут вспомнить времена, когда все плоские поверхности рубились и опиливались, и что долгое время после того, как токарно-винторезные станки достигли состояния эффективности и широко использовались, строгальные станки не были известны. Это, несомненно, объясняется тем фактом, что возвратно-поступательное движение, за исключением того, которое создается кривошипами или эксцентриками, было неизвестно или считалось непрактичным для полезных целей до последних лет, и когда оно наконец было применено, считалось непрактичным иметь такие движения, работающие автоматически. Это может показаться совершенно абсурдным даже ученику настоящего времени, однако такое возвратно-поступательное движение как механическая проблема отнюдь не так просто, как может показаться на первый взгляд.

Стол строгального станка, например, движется с равномерной скоростью в каждую сторону и своим собственным движением переключает или реверсирует движущую силу на каждом конце хода. Предполагая, что не было никаких примеров для изучения, ученик нашел бы много более легких проблем для объяснения, чем то, как строгальный станок может переключать свои собственные ремни. Если стол или плита отключает силу, которая его движет, стол останавливается; если инерция несет его достаточно далеко, чтобы зацепить или соединить другой механизм для привода стола в противоположном направлении, в момент, когда такой механизм входит в зацепление, стол должен остановиться, и никакое движение не может произойти для полного включения муфт или переключения ремней. Это любопытная проблема, к которой мы вернемся снова.

Возвратно-поступательные инструменты делятся на те, в которых режущее движение придается инструментам, как в долбежных и поперечно-строгальных станках, и станки, в которых режущее движение придается материалу, который нужно строгать, как в обычном строгальном станке. Очень странно, что в общей практике мы обнаруживаем, что станки как для самых тяжелых, так и для самых легких классов работ, таких как поперечное строгание и торцевание, работают по первому принципу, в то время как детали среднего размера обычно строгаются путем перемещения их в контакте с неподвижными инструментами.

Эта проблема, перемещать ли материал или перемещать инструменты при строгании, является старой; как мнение, так и практика в некоторой степени различаются, однако практика быстро устанавливается в постоянные правила.

Судя по теоретическим основаниям и оставляя в стороне механические условия работы, сразу было бы признано, что правильным планом было бы перемещать самое легкое тело; то есть, если инструменты и их крепления были тяжелее, чем материал, на который нужно воздействовать, тогда материал должен перемещаться для режущего действия, и наоборот. Но на практике существуют другие условия, которые следует учитывать, более важные, чем вопрос относительного веса возвратно-поступательных частей; и необходимо помнить, что при решении любой проблемы, относящейся к действию станка, условия работы должны рассматриваться в первую очередь и иметь приоритет над проблемами нагрузки, расположения или даже общих принципов конструкции; то есть условия работы должны формировать базу, из которой должны быть выведены пропорции, расположения и так далее. Стандартный строгальный станок, такой как используется для большинства видов работ, устроен с движущимся столом или кареткой, на которой материал закрепляется и перемещается под режущими инструментами. Единообразие расположения и конструкции станков такого рода во всех странах, где бы они ни производились, должно привести к выводу, что существуют существенные причины для использования движущихся столов вместо придания режущего движения инструментам.

Строгальный станок с движущимся столом занимает почти вдвое больше места на полу и требует станины по крайней мере на одну треть длиннее, чем если бы стол был неподвижным, а инструменты выполняли режущее движение. Вес, который должен перемещаться, включая каретку, почти во всех случаях будет превышать то, что было бы при движении инструмента; так что должны существовать очень веские причины в пользу движущегося стола, которые я теперь попытаюсь объяснить или, по крайней мере, указать на некоторые из наиболее заметных причин, которые привели к обычному расположению строгальных станков.

Нагрузки, вызванные действием резания в строгальных или других станках, падают внутрь и воспринимаются станиной; даже когда инструменты поддерживаются одной станиной, а материал другой, такие станины должны быть соединены с помощью фундаментов, которые в таких случаях становятся составной частью станины.

Прямое действие и противодействие равны; если сила приложена в любом направлении, должна существовать равная сила, действующая в противоположном направлении; станок должен поглощать свои собственные нагрузки.

Имея это в виду и обращаясь к обычному строгальному станку, с которым читатель, как предполагается, знаком, фокусная точка нагрузки резания находится на кромке инструментов и излучается из этой точки, как из центра, к различным частям станины станка и через соединения, фиксированные и подвижные, между инструментами и станиной; чтобы проследить обратно от этой точки резания через механизм к самой станине; сначала начиная с инструмента и его опор и переходя к основной станине; затем начиная с материала, который нужно строгать, и следуя обратно в другом направлении, пока мы не достигнем точки, где нагрузки поглощаются основной станиной, исследуя соединения, которые вмешиваются в обоих случаях, появятся некоторые причины для движущихся кареток.

Начиная с инструмента, есть, во-первых, зажимное соединение между инструментом и поворотным блоком; во-вторых, подвижное шарнирное соединение между блоком и башмаком; в-третьих, зажимное соединение между башмаком и передним суппортом; в-четвертых, подвижное соединение, где передний суппорт прикреплен клиньями к поворотной или квадрантной плите; в-пятых, зажимное соединение между квадрантной плитой и основным суппортом; в-шестых, подвижное соединение между основным суппортом и поперечиной; в-седьмых, зажимное соединение между поперечиной и стойками; и восьмых, болтовые соединения между стойками и основной станиной; составляя в общей сложности восемь различных соединений между инструментом и самой станиной, три подвижных, четыре зажимных и одно болтовое соединение.

Начиная снова с точки резания и идя в другую сторону от инструмента к станине, есть, во-первых, зажимное и закрепленное соединение между материалом и столом, затем, подвижное соединение между столом и станиной; это все; одно соединение, которое является прочным вне всякой возможности движения, и подвижное соединение, которое удерживается не регулируемыми клиньями, а силой тяжести; сила, которая действует одинаково во все времена и является самым надежным средством поддержания устойчивого контакта между движущимися частями.

Рассматривая эти механические условия, мы можем сразу увидеть достаточные причины для движения стола строгальных станков; и что было бы нежелательно, если не невозможно, добавить перемещающее или режущее действие инструментам, уже поддерживаемым через посредство восьми соединений. Для перемещения при резании потребовалось бы подвижное клиновое соединение вместо болтового, между стойками и основной станиной, что привело бы к осложнению соединений и движений, совершенно непрактичному.

Это, однако, не единственные причины, которые привели к движущемуся столу для строгальных станков, хотя они и являются наиболее важными.

Если бы режущее движение выполнялось опорами инструментов, то неизбежно следовало бы, что чем больше деталь, которую нужно строгать, и чем больше расстояние от стола до точки резания, тем дальше инструмент должен быть от своих опор; обращение условий, требуемых; потому что чем тяжелее работа, тем больше будет нагрузка резания, и опоры инструментов менее способны противостоять нагрузкам, которым нужно сопротивляться.

Можно предположить, что те же условия применимы к стойкам обычного строгального станка, но случай иной; вертикальная станина легко делается достаточно прочной за счет увеличения ее глубины; но нагрузка на подвижные соединения зависит от расстояния от них, на котором приложена сила, или, используя техническую фразу, от величины вылета. С движущимся столом чем больше и тяжелее деталь, которую нужно строгать, тем прочнее стол прижимается вниз; и поскольку поперечное сечение деталей обычно увеличивается с их глубиной, результат заключается в том, что строгальный станок, правильно сконструированный, будет работать почти так же хорошо на толстых, как и на тонких деталях.

Подъемная нагрузка на переднем конце стола, конечно, увеличивается по мере высоты, на которой производится резание над его верхом, но это на практике не оказалось трудностью какого-либо значения и даже не потребовало дополнительной длины или веса столов сверх того, что требуется для приема деталей, которые нужно строгать, и для сопротивления изгибу при закреплении тяжелой работы. Реверсивное движение столов строгальных станков, о котором уже упоминалось, является одной из самых сложных проблем в движении станков.

Столы, как правило, возвращаются назад с удвоенной скоростью по сравнению с прямым или режущим движением, и поскольку движение равномерно на протяжении каждого хода, его требуется останавливать на крайних точках путем встречи с некоторым упругим или податливым сопротивлением, которое, чтобы использовать паровой термин, «амортизирует» или поглощает инерцию и начинает движение стола назад для обратного хода.

Эта цель достигается в строгальных станках трением ремней, которые не только амортизируют стол, как пружина, но при переключении противодействуют постепенно возрастающему сопротивлению, пока инерция не будет преодолена и движение не будет реверсировано. Умножая движение стола с помощью рычагов или другого механизма, и по причине движения, которое достигается инерцией после того, как движущая сила перестает действовать, оказывается практичным иметь стол, который «переключает свои собственные ремни», результат, который никогда не был бы достигнут теоретическими выводами, и был, несомненно, обнаружен экспериментом, как говорят, было обнаружено автоматическое движение паровых клапанов.

Не предполагается утверждать, что это движение реверсирования стола не может, как любое другое механическое движение, быть решено математически, но что механические условия настолько неясны, а изобретение сделано в такое время, которое оправдывает предположение о случайном открытии.

В приводном механизме строгальных станков условиями, которые благоприятствуют реверсивному движению, являются высокая скорость и узкие приводные ремни. Время, в которое ремни могут быть переключены, зависит от их скорости и ширины; чтобы быть переключенным, ремень должен быть отклонен или согнут ребром, и по этой причине закручиваться спирально, чтобы перейти с одного шкива на другой. Чтобы согнуть или отклонить ремень ребром, потребуется сила пропорционально его ширине, а время перехода с одного шкива на другой зависит от количества оборотов, совершаемых шкивами.

Строгальные станки наиболее улучшенной конструкции приводятся в действие двумя ремнями вместо одного, и было принято много механических ухищрений для перемещения ремней дифференциально, так чтобы оба не находились на ведущем шкиве в одно и то же время, а перемещались один перед другим в чередующемся порядке. Это легко достигается простым расположением двух ремней с расстоянием между ними, равным полутора или одной и трем четвертям ширины ведущего шкива. Эффект такой же, как тот, который достигается дифференциальным переключающим механизмом, с преимуществом разрешения регулировки относительного движения ремней.

Другой принцип в строгальных станках, который заслуживает внимания, — это способ привода кареток или столов; это обычно выполняется с помощью цилиндрических зубчатых колес и рейки. Реечное движение достаточно плавное и достаточно эффективное, насколько это касается механического соединения между приводным механизмом и столом, но существует трудность, встречающаяся из-за кручения и упругости поперечных валов и ряда понижающих передач. Во всех других станках для резания металла было изученной целью иметь опоры как для инструментов, так и для материала как можно более жесткими; но в обычном типе строгальных станков, таких как те, что имеют реечное движение, существует противоречие этому принципу, поскольку ряд колес и несколько поперечных валов составляют очень эффективную пружину между движущей силой и точкой резания, вопрос, который легко доказывается строганием поперек зубьев рейки или ниток винта на станке, устроенном с цилиндрическими колесами и обычной понижающей передачей. Это правда, что инерция стола вклинивается и в некоторой мере преодолевает эту упругость, но ни в какой степени, которая составляет средство правовой защиты.

Строгальный станок, изобретенный г-ном Бодмером в 1841 году и с тех пор улучшенный г-ном Уильямом Селлерсом из Филадельфии, свободен от этого упругого действия стола, который перемещается тангенциальным колесом или винтовой шестерней. В станке Бодмера вал, несущий шестерню, был параллелен столу, но в станке Селлерса он установлен на валу с осью, диагональной к линии движения стола, так что зубья или нитки шестерни действуют частично винтовым движением, а частично прогрессивным движением вперед, как зубья колес. Рейка на столе станка г-на Селлерса устроена с зубьями под правильным углом, чтобы сбалансировать трение, возникающее от трущегося действия шестерни, который угол был продемонстрирован как правильный при 5°, обычном коэффициенте трения; поскольку вал шестерни прочно поддерживается с каждой стороны шестерни, и упор силы резания падает в основном на линию вала шестерни, существует мало, если вообще есть, упругости, так что движение положительное и плавное.

Передача этих станков упоминается здесь главным образом с целью привлечения внимания к тому, что составляет новое и единственное в своем роде механическое движение, то, которое предоставит наиболее интересный предмет изучения и заслуживает более широкого применения при производстве медленного возвратно-поступательного движения.

(1.) Может ли движущая сила быть использована непосредственно для переключения ремней строгального станка? — (2.) Почему строгальные станки обычно конструируются с движущейся кареткой вместо движущихся инструментов? — (3.) Какое возражение существует против использования ряда цилиндрических зубчатых колес для привода каретки строгального станка? — (4.) Что достигается путем дифференциального переключения ремней строгального станка? — (5.) Что производит визг ремней, столь обычный для строгальных станков? — (6.) Какие условия благоприятствуют переключению ремней строгального станка?

ГЛАВА XXXII. ДОЛБЕЖНЫЕ СТАНКИ.

Долбежные станки с вертикальным режущим движением отличаются от строгальных станков в нескольких отношениях, на которые можно обратить внимание. При долблении инструменты в большинстве случаев удерживаются жестко и не качаются на шарнире, как в строгальных станках. Инструменты удерживаются жестко по двум причинам: потому что сила тяжести не может быть использована для удержания их в положении при начале, и потому что упор или нагрузка резания падает параллельно, а не поперечно к инструментам, как при строгании. Другое различие между долблением и строганием заключается в том, что режущее движение выполняется инструментами, а не движением материала. Нагрузки резания также различны, падая под прямым углом к поверхности стола, в том же направлении, что и сила тяжести, а не параллельно поверхности стола, как в строгальных и поперечно-строгальных станках.

Механизм подачи в долбежных станках, из-за того, что инструменты удерживаются жестко, должен работать иначе, чем в строгальных станках. Поперечная подача строгального станка может действовать во время обратного хода, но в долбежных станках движение подачи должно происходить в конце хода вверх, или после того, как инструменты освободятся от материала; поэтому часть хода, которая совершается во время действия подачи, теряется; и из-за этого механизм для управления подачей обычно имеет быстрое резкое действие, чтобы сэкономить бесполезное движение резцедержателя.

Отношение между подающим и режущим движением возвратно-поступательных станков обычно не рассматривается и представляет собой интересную проблему для исследования.

(1.) Назовите некоторые из различий между строгальными и долбежными станками. — (2.) Почему движение подачи долбежного станка должно действовать резко? — (3.) К какому классу работ особенно адаптированы долбежные станки?

ГЛАВА XXXIII. ПОПЕРЕЧНО-СТРОГАЛЬНЫЕ СТАНКИ.

Поперечно-строгальные станки как станки занимают среднее место между строгальными и долбежными станками; их движения больше соответствуют движениям долбежных станков, в то время как работа инструментов такая же, как при строгании. Некоторые из преимуществ поперечно-строгальных станков перед строгальными для определенных видов работ заключаются в больших удобствах, предоставляемых для представления и удержания мелких деталей или деталей неправильной формы; опоры или столы имеют как вертикальные, так и горизонтальные грани, к которым могут быть прикреплены детали, и удобство механизма для регулировки и подачи инструментов.

Поперечно-строгальные станки обычно снабжены регулируемыми тисками, приспособлениями для строгания круговых форм и другими деталями, которые не могут быть так удобно использованы со строгальными станками. Другой особенностью поперечно-строгальных станков является положительный диапазон режущего хода, создаваемый кривошипным движением, что позволяет останавливать инструменты с точностью в любой точке; это допускает строгание пазов, шпоночных канавок и такой работы, которая не может быть хорошо выполнена на обычных строгальных станках.

Поперечно-строгальные станки делятся на два класса: одна модификация с поперечной подачей инструментов и резцедержателя, технически называемая «станками с перемещающейся головкой», другой класс с движением подачи стола, который поддерживает работу, называемый станками с подачей стола. Первая модификация адаптирована для длинных деталей, которые нужно строгать поперечно, таких как зубчатые рейки, шатуны и аналогичная работа; второй класс для более коротких деталей, где требуется много ручной регулировки.

Интересным исследованием в связи с современными поперечно-строгальными станками является принцип различных устройств, называемых «быстрым возвратом». Такие устройства состоят из различных модификаций прорезных рычагов и того, что известно как быстрое возвратное движение Витворта.

Сложность предмета делает его трудным для рассмотрения, кроме как с помощью диаграмм, и поскольку такой механизм можно осмотреть почти в любом слесарном цехе, внимание привлекается к предмету как к одному из лучших, который можно выбрать для демонстрации с помощью диаграмм. Проблемы этих движений с переменной скоростью не только представляют большой интерес, но имеют практическое значение, не найденное во многих более известных проблемах, которые бесполезно отнимают время и не имеют применения практическим способом.

Замечания, данные в предыдущем месте, относящиеся к инструментам для точения, применимы и к инструментам для строгания, за исключением того, что при строгании требуются большая жесткость и прочность инструментов.

(1.) Почему поперечно-строгальные станки лучше адаптированы, чем строгальные станки, для строгания пазов, шпоночных канавок и так далее? — (2.) Какие цели достигаются быстрым возвратным движением резцедержателя поперечно-строгальных станков?

ГЛАВА XXXIV. РАСТАЧИВАНИЕ И СВЕРЛЕНИЕ.

Растачивание, в отличие от сверления, состоит в растачивании кольцевых отверстий до точных размеров, в то время как термин «сверление» применяется к перфорированию или проделыванию отверстий в твердом материале. При растачивании инструменты направляются осевой опорой, независимой от опоры их кромок на материал, в то время как при сверлении режущие кромки направляются и поддерживаются главным образом от их контакта и опоры на просверливаемый материал.

Благодаря этой разнице в способе направления и поддержки режущих кромок и преимуществам осевой опоры для инструментов при растачивании, это становится операцией, при которой достижимы наиболее точные размеры, в то время как сверление является сравнительно несовершенной операцией; однако обычные условия слесарной обработки таковы, что почти все мелкие отверстия могут быть просверлены с достаточной точностью.

Растачивание можно назвать внутренним точением, отличающимся от внешнего точения тем, что инструменты выполняют режущее движение, и тем, что рез производится на вогнутых, а не на выпуклых поверхностях; в остальном существует тесная аналогия между операциями точения и растачивания. Растачивание в некоторой степени выполняется на токарных станках, либо с помощью борштанг, либо тем, что называется патронным растачиванием, в последнем материал вращается, а инструменты неподвижны.

Растачивание можно разделить на три операции следующим образом: патронное растачивание на токарных станках; растачивание борштангой, когда борштанга вращается на точках или центрах и поддерживается только на концах; и растачивание борштангой, когда штанга поддерживается в неподвижных подшипниках и подается через них. Принципы различны в этих операциях, каждая из которых применима к определенным видам работ. Рабочий, который может различить эти планы растачивания и всегда может определить из характера определенной работы, какой из них лучше принять, приобрел значительные знания слесарных операций.

Патронное растачивание используется в трех случаях: для отверстий небольшой глубины, конических отверстий и отверстий с резьбой. Поскольку детали при растачивании на токарном станке имеют вылет, нет достаточной жесткости ни шпинделя токарного станка, ни инструментов, чтобы допустить глубокое растачивание. Инструменты, направляемые по прямой линии и способные действовать под любым углом к оси вращения, обеспечивают полные возможности для изготовления конических отверстий; и поскольку инструменты неподвижны и могут быть мгновенно отрегулированы, те же условия подходят для нарезания внутренней резьбы; операция, соответствующая нарезанию внешней резьбы, за исключением того, что поперечные движения суппорта инструмента реверсированы.

Второй способ растачивания с помощью оправки, установленной на центрах, позволяет достичь наибольшей точности; это подобно растачиванию в патроне на токарном станке, и для этого не было придумано машины лучше, чем токарный станок, по крайней мере для небольших видов работ. Вопрос заключается в том, не будет ли выигрыша в обычной слесарной обработке, если выполнять все растачивание таким образом, когда жесткости расточных оправок достаточно без вспомогательных опор и когда оправки могут проходить сквозь деталь. Станки, приспособленные для такого рода растачивания, могут использоваться для токарной или расточной обработки по мере необходимости.

Когда инструмент направляется вращением на центрах, движение является идеальным, а прямолинейность или параллельность отверстий, расточенных таким образом, зависит только от точности движения суппорта. Этот способ растачивания применяется для небольших паровых цилиндров, цилиндрических седел клапанов и в тех случаях, когда точность имеет существенное значение.

Третий способ растачивания с помощью оправок, опирающихся на подшипники, практикуется более широко и имеет самый большой диапазон адаптации. Особенностью этого способа растачивания является то, что форма расточной оправки или любое несовершенство ее подшипников передается детали; недостаточная прямолинейность оправки приводит к получению конических отверстий. Это, конечно, относится к случаям, когда оправка подается через неподвижные подшипники, расположенные на одном или обоих концах растачиваемого отверстия. Если расточная оправка изогнута или неточна между своими подшипниками, диаметр отверстия, определяемый крайним вылетом резцов, будет неточным в той же степени, поскольку по мере того, как резцы перемещаются вдоль и приближаются к подшипникам, оправка вращается точнее, образуя коническое отверстие, сужающееся к опорам или подшипникам. То же правило в некоторой степени применимо и к растачиванию в патроне, где форма шпинделя токарного станка передается растачиваемым отверстиям; но предполагается, что шпиндели токарных станков вполне совершенны по сравнению с расточными оправками.

Преобладающий обычай отливать станины станков целиком или из как можно меньшего количества частей приводит к большому объему растачивания оправками, большую часть которого можно выполнить достаточно точно с помощью расточных оправок, поддерживаемых подшипниками и подаваемых через них. Устанавливая временные подшипники для поддержки расточных оправок и импровизируя средства привода и подачи, большую часть расточных работ на станинах станков можно выполнять на полу или на фундаментных плитах, независимо от расточных станков и токарных станков. Существует лишь несколько случаев, когда важность изучения принципов работы инструмента демонстрируется более ясно, чем в этом вопросе растачивания; даже длительный практический опыт редко приводит к глубокому пониманию различных проблем, которые оно влечет за собой.

Сверление отличается по принципу от почти любой другой операции резания металла. Инструменты, вместо того чтобы удерживаться и направляться направляющими или шпинделями, поддерживаются главным образом за счет опоры режущих кромок о материал.

Обычное сверло с угловой заточкой способно выдерживать большую нагрузку на свои кромки и более грубое обращение, чем любой другой режущий инструмент, используемый в слесарной обработке. Жесткая опора, которую получают кромки, и тенденция прижимать их к центру, вместо того чтобы отрывать их, как в случае с другими инструментами, позволяют использовать сверла, когда они имеют несовершенную форму, неправильно закалены и даже когда режущие кромки имеют неодинаковую длину.

Большинство трудностей, которые ранее относились к сверлению, теперь устранены благодаря сверлам заводского изготовления, которые производятся и продаются как товар. Такие сверла не требуют правки и закалки или подгонки по размеру после того, как они находятся в эксплуатации, делают точные отверстия, более жесткие, чем обычные сверла с цельным хвостовиком, и могут сверлить на значительную глубину без засорения.

Сверлильный станок, адаптированный к обычным требованиям слесарно-механической мастерской, по существу состоит из шпинделя, приспособленного для привода на различных скоростях, с механизмом для подачи сверл; прочного стола, установленного под прямым углом к шпинделю и снабженного вертикальной регулировкой к шпинделю или от него, а также комбинированной регулировкой в горизонтальной плоскости. Простота механизма, необходимого для работы сверлильных инструментов, такова, что она позволила создать различные модификации, такие как колонные сверлильные станки, радиально-сверлильные станки, подвесные сверлильные станки, горизонтально-сверлильные станки, кронштейновые сверлильные станки, многошпиндельные сверлильные станки и другие.

Сверление, больше, чем любая другая операция резания металла, требует чувства осязания и дальше всего отстоит от таких условий, которые допускают механическую подачу. Скорость, с которой сверло может резать без нагрева или поломки, зависит от того, как оно заточено, и от характера сверлимого материала; рабочие условия могут измениться в любой момент по мере продвижения сверления, поэтому ручная подача является наиболее подходящей. Сверлильные станки, оснащенные механической подачей для растачивания, должны иметь какое-либо средство постоянного отключения механизма подачи, чтобы предотвратить его использование при обычном сверлении.