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

Я прекрасно осознаю, насколько это мнение расходится с практикой, особенно в Англии; однако тщательное наблюдение в мастерской докажет, что механическая подача при обычном сверлении не дает экономии времени или затрат.

(1.) В чем разница между растачиванием и сверлением? — (2.) Почему сверла выдерживают более суровое использование, чем другие инструменты? — (3.) Почему ручная подача лучше всего подходит для сверл? — (4.) В чем разница между растачиванием с помощью оправки, поддерживаемой на центрах, и оправки, подаваемой через подшипники скольжения?

ГЛАВА XXXV. ФРЕЗЕРОВАНИЕ.

Фрезерование относится к резке металла зубчатыми вращающимися фрезами и во многих отношениях отличается как от строгания, так и от токарной обработки. Движение режущих кромок может быть более быстрым, чем у инструментов, которые действуют непрерывно, поскольку кромки охлаждаются в интервалах между каждым резом; то есть, если фрезерный инструмент имеет двадцать зубьев, любой отдельный зуб или кромка действует только от пятнадцатой до двадцатой части времени; и поскольку расстояние резания или время резания редко бывает достаточно долгим, чтобы вызвать сильный нагрев, скорость таких инструментов может быть в полтора раза выше, чем для токарных, сверлильных или строгальных инструментов. Еще одно различие между фрезерованием и другими инструментами заключается в совершенном и жестком способе поддержки режущих кромок; они короткие и тупые, к тому же обычно устанавливаются на коротких жестких оправках. Результат такой жесткой поддержки инструментов виден в длине режущих кромок, которые могут быть использованы, иногда достигая четырех дюймов или более в длину. Правда, количество материала, срезаемого при фрезеровании, намного меньше, чем указывает движение кромки по сравнению с токарной или строгальной обработкой; тем не менее, производительность фрезерного станка по съему металла превышает производительность токарного или строгального станка. Теоретически производительность резания или съема металла любого станка для резки металла или дерева равна длине кромок, умноженной на скорость их режущего движения; правило, которое очень равномерно применяется при резке дерева, а также при резке металла в определенных пределах; но напряжения, возникающие при резке металла, настолько велики, что они могут превысить все средства сопротивления им как в обрабатываемом материале, так и в средствах поддержки инструментов, поэтому длина режущих кромок ограничена. При обточке валков из отбеленного чугуна в Питтсбурге используются инструменты шириной до шести дюймов, и производимый эффект соответствует длине кромки; но глубина резания невелика, и операция возможна только благодаря чрезвычайной жесткости обтачиваемых деталей и тому, что инструменты поддерживаются без подвижных соединений, как в обычных токарных станках.

При определенных условиях заданное количество мягкого железа или стали может быть срезано с меньшими затратами и с большей точностью путем фрезерования, чем любым другим процессом.

Фрезерный инструмент с двадцатью кромками должен представлять такую же износостойкость, как и такое же количество отдельных инструментов, и можно сказать, что он равен двадцати дублирующим инструментам; следовательно, при нарезании пазов, выемок или подобных работ фрезерный инструмент эквивалентен большому количеству дублирующих одинарных инструментов, которые не могут быть изготовлены или установлены с такой же точностью; таким образом, фрезерование обеспечивает точность и дублирование, цели, которые во многих случаях важнее, чем скорость.

Поскольку фрезерование, как было объяснено, является более быстрым процессом, чем строгание или токарная обработка, кажется странным, что в машиностроительных мастерских используется так мало станков этого типа. Это указывает на некоторые трудности, с которыми приходится сталкиваться при фрезеровании, которые не совсем очевидны, потому что экономические причины давно привели бы к более широкому использованию процессов фрезерования, если бы результаты были такими же выгодными, как указывает скорость резания. Однако это не так, за исключением определенных видов материалов и только для определенных видов работ.

Преимущества, получаемые при фрезеровании, как было сказано, — это скорость, дублирование и точность; недостатки — стоимость подготовки инструментов и их недолговечность.

Цельная фреза должна быть точно обработанным изделием, изготовленным с большей точностью, чем можно ожидать от работы, которую она должна выполнять. Эта точность не может быть достигнута обычными процессами, поскольку такие инструменты при закалке могут деформироваться и часто ломаются. После закалки они должны быть доведены процессами шлифования, если предназначены для какой-либо точной работы; на самом деле, никакие инструменты, кроме измерительных приборов, не требуют больших затрат на подготовку, и ни одни из них не подвержены таким авариям при использовании.

Такие инструменты состоят из комбинации режущих кромок, каждая из которых, можно сказать, зависит от каждой другой; потому что если одна сломается, следующая по порядку будет вынуждена выполнять двойную работу и вскоре последует за ней — опровержение старой пословицы, что «в единстве сила», если под силой подразумевается выносливость.

При строгании и токарной обработке инструменты не требуют точной формы; они могут быть грубо изготовлены, за исключением кромки, и даже она в большинстве случаев формируется на глаз. Такие инструменты содержатся с незначительными затратами, и разрушение кромки не имеет никакого значения. Форма, закалка и прочность могут постоянно адаптироваться к изменяющимся условиям работы и твердости материала. Линия раздела между строганием и фрезерованием определяется двумя обстоятельствами — твердостью и однородностью материала, который нужно резать, и важностью дублирования. Латунь, чистое железо, мягкая сталь или любой однородный металл, недостаточно твердый, чтобы вызвать риск для инструментов, могут фрезероваться с меньшими затратами, чем строгаться, при условии, что имеется достаточно работы однородного характера, чтобы оправдать расходы на фрезерные инструменты. Нарезание зубьев колес — пример того, где фрезерование выгодно, но не в той степени, как принято считать. В производстве стрелкового оружия, швейных машин, часов и особенно хронометров, где существует постоянное и точное дублирование деталей, фрезерование незаменимо. Такие производства в некоторых случаях основаны на фрезерных операциях, как будет указано в другой главе.

Фрезерные инструменты, достаточно большие, чтобы допускать использование съемных резцов, не так дороги в обслуживании, как цельные инструменты. Движение кромки иногда можно умножить таким образом, чтобы значительно превысить то, что выполнит один инструмент.

Фрезерные инструменты используются в Крю для черновой обработки пазов в кривошипных осях локомотивов. Ряд съемных инструментов устанавливается на прочном диске, так что от четырех до шести будут действовать одновременно; таким образом, объем съема металла превышает то, что может выполнить токарный станок при непрерывной работе с двумя инструментами. Ротационные строгальные станки, сконструированные по принципу фрезерования, были опробованы для плоских поверхностей, но с посредственным успехом, за исключением черновых работ.

В конструкции или работе фрезерных станков нет ничего, что не было бы сразу понятно ученику, который видит их в работе. Вся сложность процесса заключается в его применении или экономической ценности, и лишь очень немногие, даже среди самых квалифицированных, способны во всех случаях решить, когда фрезерование может быть использовано с выгодой. Теоретические выводы, в отрыве от практического опыта, заставят предположить, что фрезерование может применяться почти во всех видах работ, мнение, которое во многих случаях приводило к серьезным ошибкам.

(1.) Если фрезерные инструменты работают быстрее, чем строгальные или токарные, почему они используются не чаще? — (2.) Как можно вычислить эффект, производимый режущими инструментами в целом? — (3.) К какому классу работ особенно подходят фрезерные станки? — (4.) Почему процессы фрезерования дают более точные размеры, чем те, которые достижимы при токарной или строгальной обработке? — (5.) Почему можно сказать, что некоторые отрасли производства зависят от процессов фрезерования?

ГЛАВА XXXVI. НАРЕЗАНИЕ РЕЗЬБЫ.

Инструменты, используемые для нарезания резьбы, составляют отдельный класс среди приспособлений слесарной мастерской, и считается лучшим рассмотреть их отдельно.

Нарезание резьбы делится на два вида: один, когда заготовки или детали, на которых нужно нарезать резьбу, поддерживаются на центрах, а инструменты удерживаются и направляются независимо от их опоры на режущих кромках, называется нарезанием резцом; другой процесс — это когда заготовки не имеют осевой опоры и направляются только плашками или режущими инструментами, называется нарезанием плашками.

Первая из этих операций включает все процессы нарезания резьбы, выполняемые на токарных станках, будь то одним резцом, плашками, жестко закрепленными в суппортах, или фрезерованием.

Вторая включает то, что в Америке называется threading, а в Англии — screwing. Станки для этой цели по существу состоят из механизма для вращения либо заготовки, которую нужно нарезать, либо плашек, и устройств для удержания и подачи заготовок.

Нарезание резцом позволяет получать винты, точные относительно их оси, и является обычным процессом нарезания всех винтов, которые должны иметь ходовое движение при использовании, либо самого винта, либо гайки.

Нарезание плашками позволяет получать винты, которые могут быть неточными, но все же достаточно точными для большинства целей, таких как зажим и соединение частей механизмов или других работ.

Поскольку операции нарезания резцом являются токарными работами и не включают принципов, которые еще не были замечены, дальнейшее изложение будет касаться станков для нарезания плашками или болтонарезных станков, которые, какими бы простыми они ни казались неквалифицированным, тем не менее включают в себя множество тонкостей, которые не проявятся при поверхностном осмотре.

Станки для нарезания резьбы можно разделить на следующие модификации: (1) Станки с вращающимися плашками, установленными в так называемой головке; (2) Станки с неподвижными плашками, в которых движение передается стержню или заготовке, на которой нарезается резьба; (3) Станки с раздвижными плашками, которые открываются и освобождают винты по окончании работы без обратного хода; (4) Станки с цельными плашками, в которых винты должны быть извлечены путем изменения направления движения приводного механизма; всего четыре различных типа.

Если бы эти различные планы устройства станков для нарезания резьбы относились к разным видам работ, можно было бы предположить, что все они правильны, но, как правило, все они применяются к одному и тому же виду работ; следовательно, можно с уверенностью сделать вывод, что существует одно устройство, лучшее, чем остальные, или что один план правильный, а другие — нет. Этот вопрос может быть в некоторой степени решен путем прослеживания условий использования и применения.

Между вращательным движением плашек или вращательным движением заготовок можно отметить следующие моменты.

Если плашки неподвижны, зажимной механизм для удержания стержней должен вращаться вместе со шпинделем; такие станки должны быть остановлены во время закрепления стержней или заготовок. Зажимные кулачки обычно так же мало подходят для вращения на шпинделе, как и плашки, и, как правило, дают больше шансов для препятствий и аварий. Чтобы вращать стержни, если они длинные, они должны проходить через приводной шпиндель, потому что станки не могут быть сделаны достаточной длины, чтобы принять длинные стержни. В станках этого класса плашки должны открываться и закрываться вручную, а не приводной силой, которая может быть использована для этой цели, когда плашки установлены во вращающейся головке.

При вращающихся плашках заготовки могут быть зажаты, когда станок находится в движении, и поскольку заготовка не вращается, она может, если она длинная, поддерживаться любым временным способом. Плашки также могут открываться и закрываться приводной силой, и остановка станка не требуется; так что несколько преимуществ значительной важности могут быть получены путем установки плашек во вращающейся головке, план, который был принят в последние годы производителями станков как в Англии, так и в Америке.

Что касается разницы между раздвижными и цельными плашками, она заключается главным образом во времени, необходимом для обратного хода, и повреждении плашек, которое вызывает эта операция. Равномерность размера в определенных пределах обеспечивается цельными плашками, но они более подвержены расстройству и их труднее ремонтировать, чем раздвижные или независимые плашки.

Еще одно различие между цельными и раздвижными плашками, которое можно отметить, заключается в прочности, с которой удерживаются режущие кромки. У цельной плашки кромки или зубья, будучи объединенными в одну цельную деталь, прочно удерживаются в фиксированном положении; в то время как у раздвижных плашек их положение должно поддерживаться механическими устройствами, которые подвержены деформации под давлением, возникающим при резке. Результат заключается в том, что точность, с которой будет работать резьбонарезной станок с подвижными плашками, зависит от прочности «упора» за плашками, который должен быть твердой неподатливой поверхностью с как можно большей площадью.

В связи с резьбонарезными плашками существует множество проблем, таких как зазор за режущей кромкой; является ли нечетное или четное количество кромок лучшим; сколько ниток требуют снятия фаски в начальной точке; и многие другие вопросы, о которых нет определенных правил. Разнообразие мнений, с которыми придется столкнуться по этим пунктам, а также в отношении метчиков, формы резьбы и так далее, убедит ученика в тонкостях этого, казалось бы, простого дела нарезания резьбы.

(1.) Опишите различные модификации станков для нарезания резьбы. — (2.) Что дает вращение плашек вместо стержня? — (3.) Что дают раздвижные плашки? — (4.) В чем разница между винтами, нарезанными резцом, и винтами, нарезанными на резьбонарезном станке?

ГЛАВА XXXVII. СТАНДАРТНЫЕ МЕРЫ.

Машины состоят из частей, соединенных вместе жесткими и подвижными соединениями; жесткие соединения необходимы из-за стоимости, а в большинстве случаев и невозможности изготовления станин и других неподвижных деталей как единого целого.

Все движущиеся части, конечно, должны быть независимы от неподвижных частей, при этом отношение между ними поддерживается тем, что было названо ходовыми соединениями.

Очевидно, что когда части машины соединены вместе, каждая деталь, имеющая контакт более чем с одной стороны, должна иметь специфические размеры; далее очевидно, что многие соединения в машине, которые должны соответствовать требованиям конструкции, должны быть без зазора, то есть они представляют собой непрерывные сечения того, что должно быть твердым материалом, если бы было возможно сконструировать части таким образом. Это также требует специфических размеров.

При организации деталей машин невозможно иметь специальный стандарт размеров для каждого случая или даже для каждой мастерской; поэтому используемые размеры делаются соответствующими некоторому общему стандарту, который по обычаю становится известным и привычным для рабочих и для страны, или, как мы можем теперь сказать, для всех стран.

Стандарт линейных мер, однако, не может быть перенесен из одной страны в другую или даже из одной мастерской в другую без риска вариации; и поэтому необходимо, чтобы такой стандарт был основан на чем-то в природе, на что можно было бы сослаться в случаях сомнения.

В прошлые века предпринимались различные попытки найти некоторую константу в природе, на которой можно было бы основывать меры. Некоторые из этих попыток были смехотворны, и все они были неудачными, пока колебания маятника не связали длину и пространство со временем. Проблема тогда стала более легкой. Смена времен года и движение небесных тел установили меры времени, так что дни, часы и минуты стали константами, доказанными и поддерживаемыми непреложными законами природы.

Маятник, колеблющийся в равномерном времени независимо от расстояния, но всегда в зависимости от своей длины, если он устроен так, чтобы совершать одно колебание за заданное время, давал постоянную меру длины. Таким образом, линейная мера происходит от времени; кубические или объемные меры — от линейной меры, а стандарты веса — из того же источника; потому что, когда определенное количество вещества любого вида могло быть определено линейным измерением, и это количество было взвешено, был бы достигнут стандарт веса, при условии, что существует какое-то вещество, достаточно однородное, на которое можно было бы сослаться в разных странах. Таким веществом является морская или чистая вода; взвешенная в вакууме или при воздухе предполагаемой плотности, вода дает результат, достаточно постоянный для стандарта веса.

Странная мысль, что при всем порядке, системе и регулярности, существующих в природе, нет ничего, кроме движений небесных тел, достаточно постоянного, чтобы сформировать базу для калибровочных испытаний. Французский стандарт, основанный на вычисленной длине меридиана, может быть прослежен до этого источника.

Ничто одушевленное или неодушевленное в природе не является однородным; растения, деревья, животные — все разные; даже воздух, которым мы дышим, и температура вокруг нас постоянно меняются; только одна вещь постоянна, это время, и к нему мы должны идти за всеми нашими стандартами.

Я не знаю, было ли выведение наших стандартных мер в историческом плане таким, как указывают вышеприведенные замечания, и не является целью здесь следовать такой истории. Читатель, чье внимание направлено на этот предмет, не найдет труда проследить этот вопрос из других источников. Настоящая цель состоит в том, чтобы показать, какой удивительный ряд связей можно проследить от такого простого инструмента, как измерительный калибр, и насколько абстрактны, на самом деле, многие, казалось бы, простые вещи, часто рассматриваемые как не стоящие мысли за пределами их практического применения.

(1.) Почему станины машин конструируются секциями, а не как единое целое? — (2.) Почему части, имеющие контакт на противоположных сторонах, должны иметь специфические размеры? — (3.) На чем основываются стандарты мер в Англии, Америке и Франции? — (4.) Как можно измерить вес с помощью времени? — (5.) Оказался ли французский метр стандартом, допускающим контрольную ссылку?

ГЛАВА XXXVIII. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ИНСТРУМЕНТЫ.

Среди улучшений в слесарной обработке, которые в последние годы вошли в общее употребление, является использование стандартных калибров, с помощью которых поддерживаются единообразные размеры и, в определенных пределах, становится возможным взаимозаменяемость частей машин.

Стандартные измерительные инструменты были введены около 1840 года знаменитым швейцарским инженером Джоном Г. Бодмером, человеком, который по многим причинам заслуживает того, чтобы считаться основателем станкостроения. Он не только использовал калибры на своих заводах для обеспечения дублирующих размеров, но также изобрел и внедрил в использование многие другие реформы в производственных процессах; среди них можно упомянуть десятичное или метрическое деление мер, систему деталировочных чертежей, классифицированных по символам, способ расчета колес по диаметральному шагу, а также многие другие вещи, которые характеризуют лучшую современную практику.

Важность стандартных размеров и эффект, который система калибровки может иметь при конструировании машин, будут вопросом, который ученику будет трудно понять. Взаимозаменяемость частей, которая является непосредственной целью использования калибров, достаточно ясна, и некоторые преимущества сразу очевидны, однако конечные эффекты такой системы простираются гораздо дальше, чем можно было бы предположить вначале.

Разделение труда, та система, на которой, можно сказать, основаны наши великие промышленные интересы, в слесарной обработке продвигается в удивительной степени использованием измерительных инструментов. Если можно поддерживать стандартные размеры, легко увидеть, что части машины могут быть изготовлены разными рабочими или в разных мастерских, и эти части при сборке все подходят друг к другу без того утомительного и ненадежного плана подгонки, который когда-то практиковался повсеместно. Существуют, правда, определенные виды подгонки, которые не могут быть хорошо выполнены с помощью калибров; движущиеся плоские поверхности, такие как подшипники направляющих токарных станков или грани клапанов паровых двигателей, быстрее и лучше подгоняются путем взаимной притирки и соскабливания точек контакта; но даже в таких случаях характер работы будет улучшен, если одна или обе поверхности были предварительно выровнены с помощью калибров или поверочных плит.

При цилиндрической подгонке, которая, как было указано ранее, составляет большую часть слесарной обработки, калибры особенно важны, потому что пробная подгонка в большинстве случаев невозможна.

Плоские или плоскостные соединения почти всегда допускают регулировку между подогнанными поверхностями; то есть материал, соскобленный или сошлифованный при подгонке, может быть компенсирован путем сближения деталей; но параллельные цилиндрические соединения нельзя даже попробовать вместе до завершения, следовательно, при их взаимной подгонке ничего нельзя срезать. Конические или конусные соединения, конечно, могут быть подогнаны пробным путем, и даже параллельные посадки иногда делаются путем пробы, но очевидно, что единственный материал, который можно срезать в таких случаях, — это то, что составляет разницу между посадкой, которая слишком плотная, и той, которая будет приемлемой на практике.

Что касается практических результатов, которые могут быть достигнуты с помощью системы калибровки, можно сказать, что они намного опережают то, что принято считать, особенно в Европе, где калибры были впервые использованы.

Процесс фрезерования, который был так широко принят в производстве оружия, часов, швейных машин и подобных работ в Америке, позволил, на принципах, объясненных в главе о фрезеровании, создать систему калибровки, которую трудно понять, не видя процессов в действии. И настолько важен эффект, обусловленный этой системой дублирования или калибровки, что несколько важных отраслей производства контролировались таким образом, когда другие элементы производства, такие как цена труда, аренда, проценты и так далее, были в значительной степени в пользу стран, где практикуется система подгонки.

Как было отмечено, система калибровки особенно адаптирована к процессам фрезерования или обеспечивается ими, и, конечно, должна иметь наибольший эффект в отраслях работы, направленных на производство единообразных изделий, таких как часы, хронометры, швейные машины, оружие, ручные инструменты и так далее. То есть прямой эффект на стоимость процессов будет более очевиден и легко понятен в таких отраслях производства; однако в общем машиностроении, где каждая машина более или менее модифицирована и сделана по специальным планам, коммерческая выгода, возникающая в результате использования калибров, значительна.

Что касается одного только ремонта, соображение о том, чтобы части механизмов были подогнаны под стандартные размеры, часто равно его полной стоимости.

Машины, подверженные разрушительному износу и эксплуатируемые на расстоянии от машиностроительных мастерских — локомотивные двигатели, например, — если они не сконструированы со стандартными размерами, могут из-за задержки, вызванной ремонтом, вызвать убытки и неудобства, равные их стоимости; если сломан подшипник колеса вала или даже подогнанный винтовой болт, должно быть выделено время на изготовление новых деталей; и чтобы подогнать их, вся машина или те ее детали, которые имеют связь со сломанными частями, должны быть доставлены в мастерскую, чтобы подогнать их путем пробы.

Система дублирования постепенно прокладывала себе путь в локомотивостроении и, несомненно, распространится на все железнодорожное оборудование, по мере того как константы для размеров будут доказаны и согласованы.

Система калибровки была немало задержана эгоистичным и ошибочным мнением, что машиностроительное предприятие может поддерживать свои собственные специфические стандарты; на самом деле, реликты этого духа все еще встречаются в старых машинах, где шаг резьбы был сделан дробными частями дюйма, так что инженеры, помимо первоначальных производителей, не могли хорошо выполнить ремонт или заменить сломанные детали.

Одним из эффектов использования калибров в слесарной обработке является внушение уверенности рабочим. Вместо того чтобы рассматривать подгонку как таинственный результат, скорее работу случая, чем замысла, люди, привыкшие к калибрам, начинают рассматривать точность как нечто достижимое и незаменимое. Ученик, после изучения набора хорошо подогнанных цилиндрических калибров, сформирует новое представление о том, что такое подгонка, и впоследствии будет иметь новый стандарт, зафиксированный в его уме.

Вариация размеров, которые ощутимы на ощупь в одну десятитысячную долю дюйма, дает пример того, насколько важны человеческие чувства даже после достижения максимальной точности, достижимой действием машины. Детали могут проходить под резцами фрезерного станка в условиях, которые, насколько позволяют механизмы, будут производить единообразные размеры, однако нет уверенности в результате, пока работа не будет проверена калибрами.

Глаз не способен обнаружить вариации в размере, даже путем сравнения, задолго до того, как мы достигнем необходимой точности в обычной подгонке. Даже путем сравнения с размеченными шкалами или измерения с помощью линеек разница между правильной и испорченной подгонкой неразличима на глаз.

Многие из наиболее точных измерений, однако, выполняются на глаз, например, с помощью штангенциркулей с нониусом, при этом вариация умножается сотни или тысячи раз механизмом, пока малейшие различия не станут легко заметны.

При умножении вариаций измерительного инструмента механизмом очевидно, что должны использоваться подвижные соединения; также очевидно, что ни одно жесткое соединение, будь то цилиндрическое или плоское, не могло бы быть подогнано настолько точно, чтобы передать такое незначительное движение, которое происходит при калибровке или измерении. Эта трудность в большинстве измерительных инструментов преодолевается путем использования принципа, о котором ранее не упоминалось, но который является общим для многих машин, — принципа упругой компенсации.

Пара пружинных кронциркулей проиллюстрирует этот принцип. Точки всегда устойчивы, потому что пружина, действующая постоянно в одном направлении, компенсирует свободный люфт, который может быть в винте. В ряду зубчатых колес всегда есть больший или меньший люфт между зубьями; и если колеса не вращаются всегда в одном направлении и не имеют постоянного сопротивления, оказываемого их движению, произойдет «мертвый ход» или неравномерное движение; но если есть некоторое постоянное и равномерное сопротивление, такое как пружина, ряд колес будет передавать малейшее движение повсюду.

Чрезвычайная точность, с которой подогнаны измерительные инструменты, на первый взгляд кажется ненужной, но следует помнить, что цилиндрическое соединение в обычной слесарной обработке требует точности, почти выходящей за пределы чувства осязания, и что любая ощутимая вариация в токарных калибрах достаточна, чтобы испортить подгонку.

Противоположностью поддержанию стандартных размеров являются вариации в размере из-за температуры. Эта трудность относится в равной степени к измерительным инструментам и к частям, которые должны быть проверены; однако в этом, как и почти в каждом явлении, связанном с материей, нам удалось превратить его в некоторую полезную цель. Железные полосы, такие как шины колес при нагревании, могут быть «насажены» в горячем состоянии, и может быть достигнута сжимающая сила и безопасность, которые были бы невозможны при принудительном соединении частей при одной и той же температуре. Однако горячая посадка была почти полностью заброшена для таких соединений, которые могут быть точно подогнаны.

(1.) Как измерительные инструменты могут повлиять на разделение труда? — (2.) Каким образом стандартные размеры влияют на стоимость машин? — (3.) Почему цилиндрические соединения нельзя подогнать путем пробы? — (4.) При каких обстоятельствах наиболее важно, чтобы части машин имели стандартные размеры? — (5.) Какое чувство наиболее острое при проверке точных размеров? — (6.) Как незначительные вариации в размерах могут быть сделаны заметными для зрения?

ГЛАВА XXXIX. ПРОЕКТИРОВАНИЕ МАШИН.

Вряд ли можно ожидать, что какая-либо часть настоящей работы, предназначенная главным образом для учеников инженеров, должна относиться к проектированию машин, однако нет причин, по которым этот предмет не должен быть в некоторой степени рассмотрен; он обязательно привлечет больше или меньше внимания со стороны учеников, и изучение проектирования машин, если оно правильно направлено, не может не принести пользы.

Пожалуй, нет никого, кто достиг успешного опыта в качестве инженера, кто не признал бы преимущества, полученные от ранних усилий по созданию оригинальных проектов, и нет никого, кто не признал бы, что если бы их первые усилия были более тщательно направлены, полученные преимущества были бы больше.

Чрезвычайно трудно для ученика инженера, без экспериментальных знаний, выбирать планы для своего собственного образования или определять лучший способ следования таким планам, когда они уже выбраны; и нет ничего, что потребляло бы так много времени или было бы более бесполезным, чем попытки создавать оригинальные проекты, если не следовать какому-либо систематическому методу.

Мало смысла в подготовке проектов, когда их аналоги уже могут существовать, поэтому при составлении оригинальных планов следует проводить тщательное исследование того, что уже было сделано в той же области. Это не только обескураживает, но и раздражает, после изучения проекта с большой тщательностью обнаружить, что он был предвосхищен, и что изученная схема была только воспроизведением. По этой причине попытки проектирования должны сначала ограничиваться знакомыми предметами, вместо того чтобы отваживаться на неисследованную почву.

Проектирование во многих отношениях — то же самое, что изобретательство, за исключением того, что оно имеет дело больше с механизмами, чем с принципами, хотя оно может и часто включает в себя и то, и другое. Как и изобретательство, проектирование всегда должно предприниматься для достижения некоторой определенной цели, поставленной в начале, и последовательно преследоваться на протяжении всего процесса.

Не всегда легко найти объект, на который могут быть направлены проекты; и хотя на первый взгляд может показаться, что любая машина или часть машины способна к улучшению, будет обнаружено, что нелегко обнаружить существующие недостатки или придумать планы для их устранения.

Новый проект должен основываться на одном из двух предположений — либо существующий механизм несовершенен в своей конструкции, либо ему не хватает функций, которые может обеспечить новый проект; и если бы те, кто тратит свое время на составление планов для новых машин, остановились, чтобы обдумать это с самого начала, это сэкономило бы немало времени, потраченного впустую на то, что можно назвать схематизацией без цели.

После определения конечных целей улучшения и изложения общих принципов, которым следует следовать при подготовке проекта, нет ничего, связанного с конструктивным машиностроением, что можно было бы более близко привести к общим правилам, чем расположение деталей. Я прекрасно осознаю, насколько это утверждение расходится с популярным мнением среди механиков и насколько глубокое знание применения машин и работы машин требуется при создании проектов, и имею в виду, что существуют определенные принципы и правила, которые могут определять расположение и распределение материала, положение и отношение движущихся частей, подшипников и так далее, и что машина может быть построена с не большим риском ошибок, чем при возведении постоянного сооружения.

Проектирование машин должно иметь отношение к адаптации, выносливости и стоимости конструкции. Адаптация включает производительность машин, их коммерческую ценность или то, что машины могут заработать в процессе эксплуатации; выносливость — время, в течение которого машины могут работать без ремонта, и постоянство их работы; стоимость — инвестиции, представленные в машинах.

Адаптация, выносливость и стоимость машин при проектировании сводятся к проблемам движений, расположения частей и пропорций.

Движения и напряжения можно назвать двумя ведущими условиями, на которых основываются проекты машин: движения определяют общие размеры, а напряжения определяют пропорции и размеры отдельных частей. Движение и напряжение вместе определяют природу и площадь подшипников или опорных поверхностей.

Диапазон и скорость движения частей машин являются элементами проектирования, которые допускают определенное определение исходя из работы, которую необходимо выполнить, но расположение не может быть так определено, и для него труднее всего найти данные. Суммируя эти положения, мы имеем:

1. Концепция определенных функций в машине и некоторая определенная цель, которую она должна выполнить.

2. Планы адаптации и расположения составных частей машин, или организация, как это можно назвать.

3. Знание специфических условий, таких как напряжения, диапазон и скорость движений и так далее.

4. Пропорции различных частей, включая станину, опорные поверхности, валы, ремни, зубчатые передачи и другие детали.

5. Симметрия внешнего вида, которая часто является скорее результатом очевидной адаптации, чем украшения.

Чтобы проиллюстрировать практическое применение того, что предшествовало, предположим, например, что должна быть сделана машина для нарезания зубьев в железных рейках с шагом 3/4 дюйма и шириной 3 дюйма, и что проект должен быть подготовлен без ссылки на такие машины, которые уже могут быть в использовании для этой цели.

Не предполагается, что может быть сделан фактический проект, который одними словами передаст всестороннюю идею организованной машины; предполагается наметить курс, который проиллюстрирует план рассуждения, наиболее вероятный для достижения успешного результата в таких случаях.

Читатель, чтобы лучше понять сказанное, может иметь в виду обычный строгальный станок с кривошипным движением, машину, которая почти заполняет требования для нарезания зубчатых реек.

Приняв определенную работу, нарезание зубчатых реек с шагом 3/4 дюйма и шириной 3 дюйма, первое, что нужно рассмотреть, будет: должна ли машина быть специальной или общего назначения? Этот вопрос касается, во-первых, функций машины в плане адаптации ее к нарезанию реек различных размеров или к выполнению других видов работ, и, во-вторых, полноты машины; ибо если бы она должна была быть стандартной, вместо того чтобы быть адаптированной только к специальной цели, существует много дорогих дополнений, которые нужно поставить, которые могут быть опущены в специальной машине. В настоящем случае будет предполагаться, что должна быть сконструирована специальная машина только для конкретной обязанности.

Работа, которую нужно выполнить, состоит в срезании металла между зубьями рейки, оставляя идеальный контур для зубьев; и поскольку форма зубьев не может быть хорошо получена регулировкой инструментов, она должна быть достигнута формой инструментов. Форма инструментов должна, следовательно, постоянно поддерживаться, и поскольку поперечное сечение вытесняемого металла не слишком велико, можно предположить, что форма инструментов должна быть профилем всего пространства между двумя зубьями, и такое пространство должно быть срезано за одну установку или одну операцию. Применением определенных правил, изложенных в предыдущем месте в отношении резки различных видов материала, могут быть выбраны возвратно-поступательные или строгальные инструменты вместо вращающихся или фрезерных инструментов.

Движения идут следующими по порядку и состоят из возвратно-поступательного режущего движения инструментов или материала, движения подачи для регулирования действия резки и продольного движения рейки, градуированного по шагу или пространству, расстоянию между зубьями.

Поскольку возвратно-поступательное режущее движение составляет всего четыре дюйма или меньше, кривошип, очевидно, является лучшим средством для производства этого движения, и поскольку движение поперечно к рейке, которая может быть длинной и громоздкой, столь же очевидно, что режущее движение должно выполняться инструментами, а не рейкой.

Поскольку регулировка подачи инструмента является прерывистой, а количество резки постоянно меняется, это движение должно выполняться вручную, чтобы контролироваться по желанию чувством осязания. То же правило применяется к регулировке рейки для интервалов; будучи прерывистым и нерегулярным по времени, это движение также должно выполняться вручную. Скорость режущего движения известна из обычной практики и составляет от шестнадцати до двадцати футов в минуту, а ремень шириной два с половиной дюйма должен двигаться двести футов в минуту, чтобы приводить в движение обычный инструмент для резки металла, так что кривошипное движение или движение резца должно быть увеличено зубчатой передачей, пока не будет достигнута надлежащая скорость ремня; из этого будет найдена скорость промежуточных движителей.

Расположение идет следующим; в этом первое дело, которое нужно рассмотреть, — удобство манипуляции. Режущая позиция должна быть устроена так, чтобы допускать легкий осмотр работы. Оператор, вынужденный держать руку на регулировочном или подающем механизме, который находится примерно на двенадцать дюймов выше работы, следует, что если уровень резки находится на четыре фута от пола, а ручка подачи — на пять футов от пола, расположение будет удобным для стоячего положения. Поскольку работа требует постоянного осмотра и ручных регулировок, по этой причине будет правильным расположением вынести за пределы как опоры для рейки, так и режущие инструменты, поместив их, как мы можем сказать, снаружи машины, чтобы обеспечить удобство доступа и позволить осмотр. Положение режущей оправки, кривошипа, соединений, зубчатых передач, шкивов и валов займет свои соответствующие места из очевидных условий, главным образом из положения оператора и работы.

Следующими по порядку являются напряжения. Поскольку действие резки является источником напряжений, и поскольку сопротивление, оказываемое режущими инструментами, соответствует длине или ширине кромок, в настоящем случае будет обнаружено, что, хотя другие условия до сих пор указывали на небольшие пропорции, теперь есть новое, которое требует больших пропорций. При вытеснении металла между зубьями с шагом три четверти дюйма режущая кромка или количество поверхности, на которую воздействуют, равно ширине в полтора дюйма. Правда, вытеснение может быть небольшим при каждом резе, но напряжение скорее должно основываться на ширине действующей кромки, чем на фактическом вытеснении металла, и мы находим здесь напряжения, равные средней нагрузке большого строгального станка. Это напряжение излучается от точки резания как из центра, падая на опоры работы с тенденцией вырвать ее из станины. Между рейкой и подшипником коленчатого вала, через посредство инструмента, резцедержателя, соединения и кривошипного пальца, и в различных направлениях и степенях, это напряжение может быть прослежено с помощью простой диаграммы. Помимо этого напряжения резки, нет никаких важных; натяжение ремня, боковое давление в подшипниках, напряжение от углового давления кривошипа и осевое давление инструмента, хотя их не следует упускать из виду, не должны иметь много общего с проблемами прочности, пропорции и расположения.

Напряжения предполагают специальное расположение, которое является совершенно отличным делом от общего расположения, последнее управляется главным образом удобством манипуляции. Специальное расположение имеет дело с формой станины и определяет ее, следуя напряжениям по всей машине. В настоящем случае мы имеем напряжение резки, которое можно предположить равным одной тонне, приложенное между кронштейном или кулачками, которые поддерживают работу, и коленчатым валом. Из этого следует, что между этими двумя точками металл в станине должен быть расположен как можно более прямой линией, и должно быть предусмотрено сопротивление изгибу глубокими сечениями, параллельными режущему движению.

Наконец, пропорции; оценив требуемую силу резания в одну тонну, хотя и меньшую, чем фактическое напряжение в машине такого рода, мы приступаем к установлению пропорций, начиная с хвостовика инструмента и следуя назад через регулировочное седло, режущую оправку, соединения, кривошипные пальцы, валы и зубчатые колеса к ремню. Снова начиная с инструмента или точки резания, следуя через опоры рейки, кулачки, которые зажимают ее, седло для градуировочной регулировки, соединения с основной станиной и так далее до подшипника коленчатого вала во второй раз, размеры могут быть установлены для каждой детали, чтобы выдерживать напряжения без прогиба или опасности поломки. Такие пропорции, я осознаю, не могут быть приведены к правилам обычной практики путем полагания только на расчет для их установления, и никакой такой курс не предлагается; расчет может помочь, но не может определить пропорции в таких случаях; кроме того, симметрия, которой нельзя полностью пренебречь, изменяет форму, а иногда и размеры различных частей.

Таким образом, я в общих чертах наметил методический план разработки конструкции, насколько это позволяют сделать одни лишь слова, начиная с определенных предпосылок, основанных на конкретной предстоящей работе, а затем последовательно переходя к рассмотрению общего характера машины, способа действия, движений и регулировок, общей компоновки, нагрузок, специального устройства и пропорций.

Обладая глубокими знаниями практической работы машин и знакомством с существующей практикой, инженер, действующий по такому плану, если он не упустит из виду некоторые условия, сможет создавать конструкции, которые могут оставаться без существенных модификаций или изменений до тех пор, пока назначение, для которого предназначено оборудование, остается прежним.

Упорство — важное качество, которое следует развивать при первых попытках проектирования; требуется определенное количество усилий, чтобы понять любую отрасль механики, независимо от того, какими природными способностями обладает ученик. Механические операции не изучаются интуитивно, они всегда окружены множеством специфических условий, которые необходимо изучать последовательно, и только неустанным упорством в одном деле можно надеяться улучшить его с помощью новых конструкций.

Ученик, который переходит от зубчатых передач и валов к пару и гидравлике, от станков к кранам и подъемным механизмам, не достигнет многого. Лучший способ — сначала выбрать простую тему, которая допускает широкий спектр модификаций и, по возможности, еще не приняла стандартную форму конструкции. Подшипники и опоры для валов и шпинделей — хорошая тема для начала.

При проектировании опор для валов нагрузки легко определяются и отслеживаются, в то время как вертикальная и боковая регулировка, смазка подшипников, симметрия опор и подвесок и так далее дадут основания для бесконечных модификаций как в отношении компоновки, так и механизма.

При создании проектов лучше всего не использовать никаких источников, кроме тех, что хранятся в памяти. Чем лучше человек знаком с машинами любого класса, тем более способным он может быть к подготовке проектов, но не путем измерения и обращения к чужим чертежам. Размеры и компоновка из примеров при таком подходе бессознательно переносятся в новый чертеж даже самыми опытными специалистами; кроме того, отнюдь не достойно собирать чужие планы и путем небольших комбинаций и модификаций создавать новые проекты. Это может быть легким способом приобрести определенный вид мастерства, но, безусловно, помешает инженеру когда-либо подняться до уровня оригинального проектировщика.

Симметрия как элемент в конструкциях машин — один из тех нерешенных вопросов, которые могут быть определены только в связи с конкретными случаями; однако можно сказать, что для всех инженерных инструментов и производственного оборудования любого вида не должно быть ничего добавлено для украшения или чего-либо, что не имеет связи с функциями оборудования.

Современные инженеры более способного класса настолько единодушны в этом вопросе украшательства, как в мнении, так и на практике, что предмет едва ли требует упоминания, и для ученика не будет недостатком начать с воспитания в себе презрения ко всему, что не имеет полезной цели. О существующей практике можно сказать, что в том, что можно назвать промышленным оборудованием, количество украшений обратно пропорционально количеству инженерного мастерства, затраченного на подготовку проектов.

Безопасным правилом будет предположение, что оборудование, в основном используемое и видимое квалифицированными специалистами, должно быть лишено украшений, а оборудование, видимое в основном неквалифицированными людьми или в общественных местах, должно иметь некоторые украшения. Паровые пожарные насосы, швейные машины и работы подобного рода, которые попадают под осмотр неквалифицированных лиц, обычно оформляются с той или иной степенью украшения.

Как правило, украшение никогда не должно выходить за рамки изящных пропорций; расположение каркаса должно как можно точнее следовать линиям нагрузки. Посторонняя отделка, такая как отдельные филигранные работы из железа или окраска в цвета, настолько отталкивает вкус истинного инженера и механика, что нет необходимости выступать против нее.

(1.) Назовите некоторые из основных моментов, которые следует иметь в виду при подготовке проектов? — (2.) Почему попытки проектирования следует ограничивать одним классом оборудования? — (3.) Какое возражение существует против изучения справочных материалов при подготовке проектов?

ГЛАВА XL. ИЗОБРЕТАТЕЛЬСТВО.

Связь между изобретательством и инженерным искусством, и особенно между изобретательством и машинами, оправдает здесь краткий обзор этого вопроса; или даже если бы эта причина отсутствовала, существует достаточная в том факте, что одна из первых целей ученика инженера — что-то изобрести; и поскольку цель здесь, насколько позволяют рамки, сказать что-то по каждому предмету, в котором заинтересован начинающий, изобретательство не должно быть обойдено вниманием.

Целью до сих пор было показать, что машины, процессы и механические манипуляции в целом могут быть систематизированы и обобщены в большей или меньшей степени, и что неспособность свести механические манипуляции и машиностроение к определенным правилам и принципам можно в основном приписать нашему недостатку знаний, а не какой-либо присущей трудности или условию, препятствующему такому решению. То же самое положение применимо к изобретательству, с той разницей, что изобретательство в истинном смысле может допускать обобщение более легко, чем машинные процессы.

Изобретательство, применительно к механическим усовершенствованиям, не должно означать случайное открытие. Такое значение часто, если не вообще, придается термину изобретение, однако следует видеть, что результаты, достигнутые систематическим ходом рассуждений или экспериментов, не могут иметь ничего общего со случайностью или даже открытием. Такие результаты скорее носят характер демонстраций — название, особенно подходящее для таких изобретений, которые являются результатом методической цели.

В таких науках, которые в какой-то степени опираются на физический эксперимент, как химия, экспериментирование без какой-либо определенной цели может быть надлежащим видом исследований и может в будущем, как и в прошлом, привести к великим и полезным результатам; но в механике дело обстоит иначе; демонстрация сохранения силы и связь между силой и теплотой предоставили последнее звено в цепи принципов, которые, можно сказать, охватывают все, с чем мы призваны иметь дело в динамической науке, и остается мало надежды на развитие чего-либо нового или полезного только путем открытия. Было время, и оно еще не прошло, когда даже самые неквалифицированные считали свою способность изобретать усовершенствования в машинах равной способностям инженера или квалифицированного механика; но теперь это изменилось; новые схемы взвешиваются и проверяются по научным стандартам, во многих случаях столь же надежным, как фактические эксперименты. Завеса тайны, которую незнание физических наук в прежние времена набросило на механические искусства, была снята; случайное открытие или механическое суеверие, если можно позволить такой термин, почти исчезли. Многие современные инженеры рассматривают свои усовершенствования в машинах только как упражнение своей профессии и колеблются, просить ли о защитных грантах для обеспечения исключительного использования того, что другой человек мог бы и часто демонстрирует, как только обстоятельства требуют такого улучшения. Конечно, существуют новые предметы производства, которые предстоит открыть, и многие усовершенствования в машинах, которые могут быть надлежащим предметом патентных прав; усовершенствования, которые при всех шансах не были бы сделаны в течение срока действия патента, кроме как изобретателем; но такие случаи редки; и справедливо предположить, что если изобретение не является таким, которое не могло быть регулярно выведено из существующих данных, и таким, которое, по всей вероятности, не было бы сделано в течение длительного ряда лет никем другим, кроме изобретателя, то такое изобретение не может по справедливости стать собственностью индивидуума без нарушения прав других.

В намерения не входит обсуждение патентного права или даже оценка того, какие выгоды были получены в прошлом или могут быть получены в будущем для технической промышленности благодаря патентной системе, но внушить ученикам инженеров лучшее и более достойное понимание своего призвания, чем смешивать его со случайным изобретательством и тем самым разрушать ту уверенность в положительных результатах, которая в прошлом характеризовала машиностроение; также предостеречь учеников от потери времени и усилий, слишком часто затрачиваемых на поиски изобретений.

Ученику полезно изобретать или демонстрировать все, что он может — чем больше, тем лучше; но, как объяснялось ранее, то, что предпринимается, должно соответствовать некоторой системе и иметь надлежащую цель. Время, потраченное на блуждание в темноте в поисках чего-то, о чем не сформировалось определенного представления, или ради любой цели, не заполняющей установленную потребность, — это, как правило, потерянное время. Чтобы демонстрировать или изобретать, нужно начинать методично, подобно тому как каменщик строит стену: как он наносит раствор и укладывает каждый кирпич, так и инженер должен путем тщательного изучения квалифицировать каждую деталь или движение, которые добавляются к механической структуре, чтобы по завершении результат был полезным и долговечным.

Как было замечено, каждую попытку создать что-то новое в машинах следует начинать с установления потребности в улучшении. Когда такая потребность установлена, внимание следует направить прежде всего на принципы, на основе которых эта потребность или неисправность должна быть устранена. Надлежащий механизм может быть затем предоставлен, как недостающие звенья в цепи. Сформулированные таким образом предложения могут не передать задуманный смысл; этот систематический план изобретательства может быть лучше объяснен на примере.

Предполагая, что читатель помнит то, что говорилось о паровых молотах в другом месте, и знаком с использованием и общим устройством таких молотов, допустим, что паровые молоты с обычным автоматическим клапанным действием, те, которые дают эластичный или паровой амортизирующий удар, хорошо известны. Предположим далее, что путем анализа ударов, наносимых молотами такого типа, доказано, что «мертвые» удары, подобные тем, которые наносятся, когда молот полностью останавливается при ударе, более эффективны в определенных видах работ, и что паровые молоты были бы улучшены путем работы по этому принципу «мертвого» хода.

Такое предложение составило бы первый этап изобретения путем демонстрации неисправности в существующих молотах и потребности в определенных функциях, которые, если бы были добавлены, составили бы улучшение.

Исходя из этих предпосылок, первым делом следует изучить действие существующего клапанного механизма, чтобы определить, где эта потребность в функции «мертвого» хода может быть лучше всего восполнена, и получить помощь от таких предложений, которые может предложить существующий механизм, а также увидеть, насколько используемые приспособления могут стать частью любой новой компоновки.

Изучая автоматические молоты, можно обнаружить, что их клапаны соединены с падающей частью посредством тяг, создающих совпадающее движение поршня и клапана, и что движение одного зависит от другого и регулируется им. Также будет обнаружено, что эти соединения или тяги способны к удлинению, чтобы изменить относительное положение поршня и клапана, тем самым регулируя диапазон удара, но что движение обоих является взаимным или происходит в унисон. Рассуждая индуктивно, а не открывая или изобретая, можно определить, что для обеспечения штамповочного удара головки молота клапан не должен открываться или впускать пар под поршень до тех пор, пока удар не завершен и молот не остановился.

В этот момент возникнет одна из тех механических проблем, которая требует того, что можно назвать логическим решением. Клапан должен приводиться в движение падающей частью; другого движущегося механизма в наличии нет; клапан и падающая часть должны, кроме того, быть соединены, чтобы обеспечить совпадающее действие, однако клапан должен двигаться, когда падающая часть неподвижна. Действуя индуктивно, ясно, что должен быть введен третий агент, некоторая часть, приводимая в движение падающей частью, которая в свою очередь будет перемещать клапан, но этот промежуточный агент должен быть расположен так, чтобы он мог продолжать двигаться после того, как падающая часть молота остановилась.

Если это принято, схема завершена, насколько это касается относительного движения падающей части молота и клапана, но должен быть какой-то план придания движения этому добавленному механизму. Во многих примерах можно увидеть части машин, которые продолжают движение после того, как сила, движущая их, перестала действовать; пушечные ядра пролетают мили, при этом движущая сила действует всего несколько футов; челнок ткача совершает почти весь свой полет после того, как водило остановилось. В данном случае, следовательно, очевидно, что независимое или последующее движение клапанов может быть получено за счет импульса некоторой части, приведенной в движение во время спуска головки молота.