Производство болтов и гаек

Способ механического соединения двух деталей с помощью комбинации двух элементов – болта и гайки – имеет достаточно давнее происхождение и на сегодня достиг почти предела совершенства. Однако болты и гайки с винтовой нарезкой появились лишь в середине XV века. Тогда их изготавливали вручную. Каждую гайку можно было навинтить только на один единственный болт, которому соответствовала рассматриваемая гайка. Кроме болтового соединения применялись гвозди, шурупы, винты и заклепки. Болт – это крепежная деталь, представляющая собой цилиндрический стержень с головкой и наружной резьбой. Головка болта обычно имеет форму шестигранника, однако встречаются и другие модификации. Гайка – металлическая деталь, имеющая квадратную или шестигранную форму в плане с резьбовым отверстием в центре. Гайки бывают различного типа, большинство разновидностей отличаются способами предотвращения ослабления затяжки в условиях вибрации.

Многие известные изобретения основаны на применении резьбовых крепежных элементов. Среди них находятся прядильная машина Харгривса и хлопкоочистительная машина Уитни.

Болты без нарезки имели ограниченное применение и применялись еще в Древнем Риме. По всей вероятности римляне первыми стали использовать винты для дерева (шурупы), которые изготавливались из бронзы, а иногда – из серебра. Резьба на винтах изготавливалась вручную или ее заменяла проволока, накрученная на стержень. С падением Римской империи это изобретение было забыто. Первое письменное упоминание о винтах встречается в книге начала XV века. Достаточно широко гайки и болты как крепежные детали стали использоваться только в начале XVII века.

Вплоть до начала XIX не удавалось решить задачу производства единообразной резьбы на болтах и гайках. Нарезка мелких резьб производилась на примитивных токарных станках. Крупная резьба до конца XVIII века наносилась горячей ковкой. Кузнецы наносили удары по горячей заготовке болта специальным формообразующим инструментом.

После усовершенствования токарного станка между 1800 и 1810 годами появился способ производства винтов, отличающийся высокой точностью. Винторезный станок стал на многие годы основным средством нанесения резьбы на крепежные изделия.

В середине XIX века Уорд (США) создал станок для изготовления гаек и болтов горячей ковкой. Заготовка в форме прутка нагревалась до температуры 870°C и проходила через плашки для выдавливания резьбы. Позже Уорд разработал аналогичный станок для получения резьбу методом холодной пластической деформации. Плашки должны были иметь повышенную прочность, а станок – достаточную мощность. Холодная накатка, обеспечивающая более прочную и более точную резьбу, является в настоящее время основным методом при массовом производстве гаек, болтов и винтов. В конце XIX века массовое производство крепежных деталей перешло от станочной обработки прутковых заготовок к холодному методу формообразования из проволоки или прутка.

В 1841 году Витворт в Великобритании предложил первую систему унификации винтовых резьб. Он рекомендовал, чтобы угол между сторонами соседних витков был равен 55°, а число витков на один дюйм должно было определяться диаметром болта или винта. Вершины витков резьбы и основания впадин должны были закруглены на 1/6 высоты исходного профиля. К 181 году система Витворта была принята в качестве британского стандарта. В США работы по унификации резьбы стали проводиться Селлерсом с 1864 года. Селлерс считал, что угол 55° трудно измерить. Поэтому он предлагал заменить его на 60°. Профиль винтовых резьб должен иметь плоскую поверхность вершин и впадин и составлять 1/8 шага. Несовместимость систем Витворта и Селлерса стала причиной трудностей с взаимозаменяемостью частей вооружения американской и английской армий во время двух мировых войн. Начиная с 1918, и до 1948 года обе страны делали попытки привести обе системы в соответствие. Наконец, в 1964 году международная конференция в Нью-Дели приняла две системы: систему дюймовой резьбы и систему метрической резьбы, которые должны были заменить множество различных национальных систем.

Отметим еще одно важное обстоятельство для обеспечения надежной работы резьбовых соединений: правильный способ затяжки болтовых соединений. Очевидно, что завинчивание должно производиться до момента, непосредственно предшествующего появлению остаточной деформации. При ручной затяжке крупные болты и гайки, как правило, затягиваются недостаточно, а мелкие (до 16 мм) – затягиваются чрезмерно. Для обеспечения нормальной затяжки используются специальные гаечные ключи и приспособления. В последнее время широко используются микропроцессоры и роботы.

Большие успехи достигнуты в технологии покрытия инструментов для производства крепежных деталей. Применяются различные методы обработки их поверхностей: цементация, азотирование, гальваническое покрытие. Разработана технология нанесения тонкого слоя карбида титана или нитрида титана химическим путем или методом осаждения. Такое покрытие придает инструменту высокую твердость. Кроме того, покрытие выполняет задачу смазки, уменьшающей трение между обрабатываемой деталью и инструментом. Срок службы инструментов при этом повышается от трех до пяти раз.

 

 

8.3.3. От мануфактур - к заводам и фабрикам

 

В 1800 году Эли Уитни начал организовывать массовое производство мушкетов. За ним последовали другие владельцы заводов стрелкового вооружения. Они использовали гидроприводы на таких работах как ковка, прокатка, сверление шлифовка и полировка. Однако точная доводка до нужных размеров осуществлялась ручной опиловкой в специальных приспособлениях. Так, на Тульских оружейных заводах еще в петровские времена было налажено производство ружей с взаимозаменяемыми деталями замка. Однако точность обеспечивалась благодаря высокой квалификации рабочих и своеобразной военной приемки, которую осуществлял сержантский состав гвардейского Преображенского полка.

Уитни по существу открыл новую систему производства, благодаря которой неквалифицированный рабочий мог производить изделия, которые раньше могли изготовить только самые опытные механики. Престиж Уитни – изобретателя знаменитой хлопкоочистительной машины – позволил ему получить заказ на изготовление 10000 мушкетов в течение двух лет. Уитни для каждой детали изготовил лекало, подобное выкройке для платья. Рабочий по лекалу вырезал из металла части ружья. Уитни сконструировал новый режущий инструмент и станок для него. Инструмент, называемый ныне фрезой, представлял собой колесо с зубцами. Грань каждого зубца была слегка изогнута, заточена и закалена. Таким инструментом обводились очертания лекала, укрепленного на металлической заготовке. Уитни сконструировал несколько видов фрезерных станков, имевших подвижный стол с приводом от червячной передачи. Были усовершенствованы и другие станки для массового производства, в частности сверлильные. Однако практика открыла некоторые недочеты в его системе и полностью выполнить заказ он смог только за восемь лет, причем основная часть всех ружей была произведена за последние два года. Подобно президентам Джеферсону и Гамильтону, Уитни считал, что фабрики послужат на благо Америки.

Вслед за Уитни идея взаимозаменяемости стала применяться кольтом для производства капсюльного револьвера, Мак-Кормиком – для производства жатки, Диром – для изготовления стального плуга, Терри – для производства часов, Хау – для производства швейной машины.

Другим примером организации массового производства явился завод по изготовлению талей (корабельных блоков) для Адмиралтейства, который вступил в строй в Англии в 1808 году. Основными авторами проекта были Марк Изамбар Брюнель (ученик Гаспара Монжа) и Сэмюэль Бентам (ученик Бетанкура). Генри Модсли создал серию специализированных станков. На заводе, где раньше работало свыше сотни рабочих, осталось только десять и три инженерно-технических работника: Модсли, чертежник Нилд и кассир Янг.

Сэмюэль Кольт в 1849-1854 годах для производства своего револьвера построил с помощью Элишу Рута специальный завод. Рут, блестящий механик и талантливый организатор, сконструировал много нового оборудования (в частности он существенно усовершенствовал падающий молот). Он использовал все лучшее из существующего тогда станочного парка и создал необходимость непрерывного совершенствования машин другими изобретателями.

Современное производство является непрерывно поточным. Каждая деталь изделия проходит в процессе изготовления ряд позиций. В каждой позиции над ней производится одна или несколько операций. Весь завод становится четко организованной производственной единицей. Сырье и полуфабрикаты поступают в поток в ряде пунктов, а элементы изделия перемещается по нескольким потокам, которые постепенно сливаются в общий поток. В конце потока появляется готовый объект, прошедший необходимые испытания.

Начало подобной системы известно давно. Так, на фабрике Британского Адмиралтейства с 1833 действовала линия по производству морских галет. Машины замешивали тесто и выполняли ряд других операций. Изделие переходило от одного рабочего к другому на подносах, перемещающимся по роликам.

Автоматическая линия в завершенном виде была впервые пущена в действие в 60-х годах девятнадцатого века в Цинцинатти (США) для разделки свиных туш и изготовления мясных консервов. На этой линии не было отходов, и бытовала шутка, что даже предсмертный крик свиньи улавливали для использования в заводском гудке.

Современное массовое производство было создано для производства автомобилей. Первые автомобили строились так же, как строили первые паровые машины. Затем в начале прошлого века перешли к принципу взаимозаменяемости частей. Затем Генри Форд ввел сборочную линию. В 1913 году он начал с линии по сборке магнето. Далее он подразделил сборку двигателей на 84 операции, сократив число рабочих на треть. После этого шасси было установлено на рельсы и протягивалось через ряд рабочих, осуществляющих последовательную сборку. К концу 1914 года разработка сборочной линии была завершена.

Американские промышленники шли в области организации массового производства впереди всех, хотя Англия и Германия первенствовали в выпуске штучных высокоточных машин и высококачественных изделий. Тем не менее, в 1853 году Британская комиссия по стрелковому оружию вынесла рекомендации по внедрению "американской системы".

Нужно сказать, что в это же время развивалась измерительная техника, и появились новые технологические процессы: электросварка (1886 год), термитная сварка (1908 год). Кислородная резка (кислородно-ацетиленовая горелка) и другие аналогичные способы вошли в обиход в начале двадцатого века. В конце века появились высокоэффективные методы с использованием плазмы, электромагнитных полей и других источников концентрированных потоков энергии.

Применение станков и приспособлений с системами автоматического контроля и автоматического регулирования, а также вычислительных машин позволили сделать поточные линии совершенными. Однако появились другие задачи. До прихода века автоматизации внедрение методов массового производства приводило к замене квалифицированных рабочих неквалифицированными как из-за детального разделения труда, так и из-за создания машин, выполняющих все более сложные работы. Автоматизация почти не нуждается в чернорабочих. Ей не нужны рабочие, которые все время выполняют одну и ту же простую операцию, которая легче всего поддается автоматизации. Автоматизированное производство нуждается в целой армии квалифицированных мастеров-инженеров по уходу за машинами, инженеров-электротехников, инженеров-электронщиков. Нужны также технологи, конструкторы, научные работники и исследователи самой высокой квалификации. Ни одна страна в мире не имеет в настоящее время достаточного числа квалифицированных технически подготовленных людей для осуществления действительно полной программы автоматизации. Необходимы коренные реформы системы образования, как для начальной подготовки большого числа высококвалифицированных людей, так и для непрерывной переподготовки уже работающих для новой и более квалифицированной работы. В некоторых странах ставится вопрос о всеобщем высшем образовании.

 

 

Вопросы для самопроверки.

1. Когда появилось всем известное сверло с винтовыми канавками?

2. Что такое суппорт? Кто изобрел его в России?

3. Какие изменения внес Модсли в конструкцию токарного станка?

4. Где и когда был создан первый зуборезный станок?

5. Расскажите о станках-автоматах.

6. Как создавались первые мануфактуры?

7. Какой вклад в развитие массового производства внес Эли Уитни?

8. Расскажите о развитии робототехники.

9. Приведите примеры организации массового производства.

10. В каком веке произошла промышленная революция?

9. Приборы и измерения

 

 

9.1. Введение

 

 

Измерение – это сравнение неизвестной величины с известной установленной единицей меры. Самым сложным в таком процессе является установление меры. На начальной стадии развития человек по всей вероятности пользовался сравнительными измерениями, определяя величину через понятия "больше" и "меньше". Затем наступило время количественных измерений. Достаточно точные измерения требуют использования измерительных приборов.

Из далеких времен пришли такие стандартные меры длины как английские дюйм, ярд, миля и русские вершок, сажень и верста. До Великой французской революции в Европе применялись различные способы измерения. Каждый порт, город, правительства различных стран имели свои собственные способы измерений. На главных торговых площадях городов хранились стандартные образцы единиц измерения в виде железных, бронзовых стержней. В германском городе Бремен, например, за основу бралось расстояние между пальцами скульптуры легендарного Роланда. Такое положение чрезвычайно осложняло торговлю, путешествие и обмен. Революционное правительство Франции в конце XVIII века решило перейти на новую, научную систему, наиболее подходящую с точки зрения экономики. Для выполнения этой задачи оно поручило группе ученых разработать новую метрическую систему мер. Во Франции после реставрации Бурбонов новая система была отвергнута и стала применяться только после принятия ее во многих других странах. В качестве основной меры длины был выбран метр, который по первоначальному замыслу должен был равняться одной десятимиллионной части расстояния от Северного полюса до экватора по парижскому меридиану. Впоследствии было обнаружено несоответствие между изготовленным образцом метра и его определением. Исправлять ошибку не стали, так как система была уже принята во многих странах. В 1889 году за основную единицу приняли расстояние между штрихами на эталоне.

Массу тела определяют путем "взвешивания", поэтому часто эти два понятия путают. Словно для того, чтобы увеличить путаницу, массу и вес измеряют в единицах одинакового наименования, например в килограммах. Эталон килограмма есть масса металлического цилиндра, равная массе литра воды при 4°С (температура, соответствующая ее наибольшей плотности). 1 английский фунт равен 453 граммам.

Основная единица времени – секунда, которая равна 1/86400 части средних солнечных суток . Солнечными сутками называется время между последовательными прохождениями Солнца через данный меридиан. Их продолжительность несколько меняется в зависимости от времени года. Средними солнечными сутками считают среднее арифметическое из всех суток за год. Сутки делятся на 24 часа по 60 минут каждый. Минута подразделена на 60 секунд. Интересно отметить, что миллион секунд составляет всего 12 дней, а миллиард секунд – 32 года. Поверхность Земли разделена на 24 пояса. Каждый пояс охватывает 15 градусов долготы. Так называемое "поясное время" отличается от времени соседнего пояса на один час. В повседневной жизни за начало суток принимают полночь. В России действует декретное время, введенное в СССР в 1930 году для экономии электроэнергии на освещение. Оно опережает поясное время на один час. С 2 апреля 1981 года на летний период время сдвигается еще на один час вперед, а в октябре возвращается на один час назад.

В 1875 году была созвана международная конференция по введению мер и весов, чтобы положить конец хаосу в международной торговле. На конференции присутствовали представители тридцати стран. В результате работы конференции было создано Международное бюро мер и весов, находящееся вблизи Парижа, и метрическая система была признана основной международной системой. В бюро хранятся эталоны стандартных мер, а каждая страна получила их копии.

В 1960 году XI Генеральная конференция по мерам и весам ввела Международную систему единиц (международное сокращенное наименование (SI), русское (СИ)). Эта система устанавливает в качестве основных семь основных величин вместе с соответствующими единицами: длина (метр, м), масса (килограмм, кг), время (секунда, с), сила тока (ампер, А), термодинамическая температура (кельвин, К), количество вещества (моль, моль), сила света (кандела, кд). После принятия Международной системы единиц величины метра и секунды были переопределены на основе физических процессов. Единицы Международной системы, а также десятичные и кратные от них являются обязательными в большинстве стран мира, однако наряду с ними в некоторых странах применяют традиционные национальные системы измерений.