Станок — это машина для обработки или обработки металла или других твердых материалов, обычно путем резки, растачивания , шлифования , сдвига или других форм деформации. В станках используется какой-то инструмент, который выполняет резку или формование. Все станки имеют те или иные средства фиксации заготовки и обеспечивают управляемое движение частей станка. Таким образом, относительное движение между заготовкой и режущим инструментом (которое называется траекторией инструмента ) контролируется или ограничивается станком, по крайней мере, в некоторой степени, а не полностью «от руки» или «от руки». Это станок для резки металла с механическим приводом, который помогает управлять необходимым относительным движением между режущим инструментом и заготовкой, что приводит к изменению размера и формы обрабатываемого материала. [1]
Точное определение термина « станок» варьируется среди пользователей, как описано ниже. Хотя все станки являются «машинами, которые помогают людям делать вещи», не все фабричные машины являются станками.
Сегодня станки, как правило, приводятся в действие не человеческими мышцами (например, электрически, гидравлически или через линейный вал ), и используются для изготовления изготовленных деталей (компонентов) различными способами, включающими резку или некоторые другие виды деформации.
Благодаря присущей им точности станки позволяли экономично производить взаимозаменяемые детали .
Многие историки техники считают, что настоящие станки появились на свет тогда, когда траектория движения инструмента впервые начала каким-то образом, по крайней мере в некоторой степени, управляться самой машиной, так что прямое, свободное от руки управление траекторией инструмента человеком (руками, ногами или ртом) больше не было единственным руководством, используемым в процессе резки или формовки. С этой точки зрения на определение термин, возникший в то время, когда все инструменты до этого были ручными , просто обозначал «инструменты, которые были машинами, а не ручными инструментами». Ранние токарные станки , станки до позднего средневековья , а также современные токарные станки по дереву и гончарные круги могут подпадать или не подпадать под это определение, в зависимости от того, как рассматривать сам шпиндель передней бабки ; но самые ранние исторические записи о токарном станке с прямым механическим контролем траектории режущего инструмента относятся к токарно-винторезному станку, датируемому примерно 1483 годом. [2] Этот токарный станок «производил резьбу из дерева и использовал настоящий составной суппорт».
Руководство по механической траектории движения инструмента выросло из различных основных концепций:
Абстрактно программируемое управление траекторией инструмента началось с механических решений, таких как кулачки «музыкальная шкатулка» и жаккардовые ткацкие станки . Сближение программируемого механического управления с управлением траекторией станков было отложено на многие десятилетия, отчасти потому, что методы программируемого управления музыкальными шкатулками и ткацкими станками не обладали жесткостью, свойственной траекториям станков. Позже были добавлены электромеханические решения (такие как сервоприводы ), а вскоре и электронные решения (включая компьютеры ), что привело к численному управлению и компьютерному числовому управлению .
При рассмотрении разницы между траекториями движения инструмента от руки и траекториями, ограниченными станком, концепции точности , эффективности и производительности становятся важными для понимания того , почему вариант с ограничением станка повышает ценность .
«Производство» с добавлением материи, сохранением материи и вычитанием материи может осуществляться шестнадцатью способами: во-первых, работу можно удерживать либо в руке, либо в зажиме; во-вторых, инструмент можно держать либо в руке, либо в струбцине; в-третьих, энергия может исходить либо от руки(-ей), удерживающей инструмент и/или заготовку, либо от какого-либо внешнего источника, включая, например, педальный ход того же рабочего или двигатель, без ограничений; и, наконец, управление может исходить либо от руки (рук), держащей инструмент и/или работу, либо от какого-либо другого источника, включая числовое программное управление с помощью компьютера. Имея два варианта выбора для каждого из четырех параметров, типы отнесены к шестнадцати типам производства, где «Материя-добавка» может означать рисование на холсте так же легко, как это может означать 3D-печать под управлением компьютера, «Материя-сохранение» может означать ковку на угольном огне. так же легко, как штамповать номерные знаки, а «Вычитание Материи» может означать небрежное строгание кончика карандаша с такой же легкостью, как и прецизионное шлифование окончательной формы лопатки турбины, нанесенной лазером.
Точное описание того, что представляет собой станок и что он делает в данный момент, дается 12-компонентным вектором, связывающим линейные и вращательные степени свободы отдельной заготовки и отдельного инструмента, контактирующего с этой заготовкой на любом станке произвольно и по порядку. Чтобы визуализировать этот вектор, имеет смысл расположить его в четырех строках по три столбца с метками xy и z на столбцах, а метки вращаются и перемещаются по строкам, при этом эти две метки повторяются еще раз, чтобы в общей сложности получилось четыре строки, так что первая строка может быть помечена как «Работа с вращением», вторая строка может быть как «Работа с перемещением», третья строка может быть как «Инструмент для вращения», а четвертая строка может быть как «Инструмент для перемещения», хотя положение меток является произвольным, то есть существует В машиностроительной литературе нет единого мнения о том, в каком порядке должны быть эти метки, но в станке 12 степеней свободы. Тем не менее, важно помнить, что это мгновенный момент, и этот мгновенный момент может быть подготовительным моментом перед тем, как инструмент войдет в контакт с заготовкой, или, может быть, моментом взаимодействия, в течение которого контакт с заготовкой и инструментом требует ввода довольно большого количества усилий. для выполнения работы требуется большое количество энергии, поэтому станки большие, тяжелые и жесткие. Поскольку эти векторы описывают наши мгновенные моменты степеней свободы, векторная структура способна выразить изменяющийся режим работы станка, а также выразить его фундаментальную структуру следующим образом: представьте себе, что токарный станок перемещает цилиндр по горизонтальной оси с инструмент, готовый вырезать грань этого цилиндра в какой-то подготовительный момент. Что должен сделать оператор такого токарного станка, так это заблокировать ось X на каретке токарного станка, установив новое векторное условие с нулевым значением в положении салазок X для инструмента. Затем оператор разблокировал ось Y на поперечном суппорте токарного станка, предполагая, что наши примеры были оборудованы этим, а затем оператор применил некоторый метод перемещения торцевого инструмента по поверхности разрезаемого цилиндра и глубины. в сочетании с выбранной скоростью вращения, которая обеспечивает режущую способность в пределах мощности двигателя, приводящего в действие токарный станок. Итак, ответ на вопрос, что такое станок, очень прост, но он сугубо технический и не связан с историей станков.
Ранее был ответ на вопрос, что такое станки. Мы также можем рассмотреть, что они делают. Станки производят готовые поверхности. Они могут производить любую отделку: от произвольной степени очень грубой работы до зеркальной оптической отделки, улучшение которой является спорным. Станки производят поверхности, составляющие элементы деталей машин, путем удаления стружки. Эти стружки могут быть очень грубыми или даже мелкими, как пыль. Каждый станок поддерживает процесс удаления с помощью жесткой, резервной и, следовательно, виброустойчивой конструкции, поскольку каждая стружка удаляется полусинхронно, создавая множество возможностей для вибрации, мешающей точности.
Люди, как правило, весьма талантливы в своих движениях от руки; рисунки, картины и скульптуры таких художников, как Микеланджело или Леонардо да Винчи , а также бесчисленного множества других талантливых людей показывают, что человеческая траектория движения от руки имеет большой потенциал. Ценность , которую станки добавили к этим человеческим талантам, заключается в жесткости (ограничении траектории движения инструмента, несмотря на то, что тысячи ньютонов ( фунтов ) силы борются с этим ограничением), точности и точности , эффективности и производительности . С помощью станка можно ограничить траектории движения инструмента, которые не могут ограничить никакие человеческие мышцы; а траектории инструмента, которые технически возможны при использовании методов от руки, но для выполнения потребуют огромного времени и навыков, вместо этого могут быть выполнены быстро и легко даже людьми с небольшим талантом от руки (потому что об этом позаботится машина). Последний аспект станков историки дополнительных технологий часто называют «встраиванием навыков в инструмент», в отличие от навыка ограничения траектории движения инструмента, присущего человеку, который владеет инструментом. Например, физически возможно полностью изготовить взаимозаменяемые винты, болты и гайки, используя траектории движения инструмента от руки. Но экономически целесообразно изготавливать их только на станках.
В 1930-х годах Национальное бюро экономических исследований США (NBER) ссылалось на определение станка как «любой машины, работающей не только вручную, но и использующей инструмент для работы с металлом». [3]
В самом узком разговорном смысле этого термина он применяется только к машинам, выполняющим резку металла, другими словами, ко многим видам [традиционной] механической обработки и шлифования . Эти процессы представляют собой разновидность деформации, приводящую к образованию стружки . Однако экономисты используют несколько более широкий смысл, включающий в себя также деформацию металла других видов, придающих металлу форму без срезания стружки, например прокатку, штамповку штампами , стрижку, обжимку , клепку и другие. Таким образом, прессы обычно включаются в экономическое определение станков. Например, именно такую широту определения использовал Макс Холланд в своей истории «Бургмастер и Гудайль » [4] , которая также представляет собой историю станкостроительной промышленности в целом с 1940-х по 1980-е годы; он отражал смысл термина, используемого самой Houdaille и другими фирмами отрасли. Во многих отчетах об экспорте и импорте станков и аналогичных экономических темах используется это более широкое определение.
Разговорный смысл, подразумевающий [обычную] резку металла, также устаревает из-за изменения технологий на протяжении десятилетий. Многие недавно разработанные процессы, называемые «механическая обработка», такие как электроэрозионная обработка , электрохимическая обработка , электронно-лучевая обработка , фотохимическая обработка и ультразвуковая обработка или даже плазменная резка и водоструйная резка , часто выполняются на станках, которые наиболее логично могли бы быть называются станками. Кроме того, некоторые из недавно разработанных процессов аддитивного производства , которые заключаются не в вырезании материала, а в его добавлении, выполняются машинами, которые в некоторых случаях, скорее всего, будут маркированы как станки. Фактически, производители станков уже разрабатывают машины, которые включают в себя как субтрактивное , так и аддитивное производство в одной рабочей зоне [5] , а модернизация существующих машин находится в стадии реализации. [6]
Использование терминов в естественном языке варьируется с тонкими коннотативными границами . Многие ораторы сопротивляются использованию термина «станок» для обозначения деревообрабатывающего оборудования (столярные станки, настольные пилы, фрезерные станки и т. д.), но трудно провести какую-либо логическую разделительную линию, и поэтому многие ораторы принимают широкое определение. Часто можно услышать, как машинисты называют свои станки просто «машинами». Обычно их объединяет массовое существительное «машины», но иногда оно употребляется для обозначения только тех машин, которые исключаются из определения «станок». Вот почему машины на предприятии пищевой промышленности, такие как конвейеры, миксеры, емкости, делители и т. д., могут называться «машинами», тогда как машины в цехе инструментов и штампов вместо этого называются «станками». в отличие.
Что касается приведенного выше определения NBER 1930-х годов, можно утверждать, что его специфичность для металла устарела, поскольку сегодня вполне обычным является то, что определенные токарные станки, фрезерные станки и обрабатывающие центры (определенно станки) выполняют исключительно работы по резке пластмассы на протяжении всего своего срока службы. рабочий срок жизни. Таким образом, приведенное выше определение NBER можно расширить, сказав: «который использует инструмент для работы с металлом или другими материалами высокой твердости ». И его специфика «действия не с помощью ручной силы» также проблематична, поскольку станки могут приводиться в движение людьми, если они правильно настроены, например, с помощью педали ( для токарных станков ) или ручного рычага (для формовочного станка ). Формовочные станки с ручным приводом явно представляют собой «то же самое», что и формовочные станки с электродвигателями, только меньшего размера, и приводить в действие микротокарный станок с помощью ременного шкива с ручным управлением вместо электродвигателя тривиально. Таким образом, можно задаться вопросом, действительно ли источник энергии является ключевым отличительным понятием; но с экономической точки зрения определение NBER имело смысл, поскольку большая часть коммерческой ценности существования станков связана с теми станками, которые работают от электричества, гидравлики и так далее. Таковы капризы естественного языка и контролируемой лексики , которые имеют свое место в деловом мире.
Предшественниками станков были луковые дрели и гончарные круги , существовавшие в Древнем Египте до 2500 г. до н.э., а также токарные станки, которые, как известно, существовали во многих регионах Европы по крайней мере с 1000 по 500 г. до н.э. [7] Но только в позднее Средневековье и в эпоху Просвещения современная концепция станка — класса машин, используемых в качестве инструментов при изготовлении металлических деталей и включающих траекторию движения инструмента, — начала развиваться. . Часовщики Средневековья и люди эпохи Возрождения, такие как Леонардо да Винчи, помогли расширить технологическую среду человечества, создав предпосылки для промышленных станков. В XVIII и XIX веках, а во многих случаях и в XX веке, строителями станков, как правило, были одни и те же люди, которые затем использовали их для производства конечной продукции (промышленных товаров). Однако из этих корней также возникла индустрия производителей станков, как мы их определяем сегодня, то есть людей, которые специализируются на производстве станков для продажи другим.
Историки станков часто сосредотачивают внимание на нескольких крупных отраслях, которые больше всего стимулировали развитие станков. В порядке исторического возникновения это были огнестрельное оружие (стрелковое оружие и артиллерия ); часы ; текстильное оборудование; паровые машины ( стационарные , морские , железнодорожные и другие ) (история о том, как потребность Уатта в точном цилиндре стимулировала создание расточной машины Бултона, обсуждается Роу [8] ); швейные машинки ; велосипеды ; автомобили ; и самолеты . Другие также могут быть включены в этот список, но они, как правило, связаны с уже перечисленными основными причинами. Например, производство подшипников качения само по себе является отдельной отраслью, но основными движущими силами развития этой отрасли были уже перечисленные транспортные средства: поезда, велосипеды, автомобили и самолеты; и другие отрасли, такие как производство тракторов, сельскохозяйственных орудий и танков, в значительной степени заимствовали средства у тех же самых материнских отраслей.
Станки удовлетворяли потребность, возникшую в текстильном оборудовании во время промышленной революции в Англии в середине-конце 1700-х годов. [8] До этого времени машины изготавливались в основном из дерева, часто включая зубчатые передачи и валы. Увеличение механизации потребовало большего количества металлических деталей, которые обычно изготавливались из чугуна или кованого железа . Чугун можно было отливать в формах для изготовления более крупных деталей, таких как цилиндры двигателей и шестерни, но с ним было трудно работать напильником, и его нельзя было забивать молотком. Раскаленному докрасна кованому железу можно было придавать различные формы. Кованое железо при комнатной температуре обрабатывалось напильником и долотом, из него можно было изготавливать шестерни и другие сложные детали; однако ручная работа не имела точности и была медленным и дорогостоящим процессом.
Джеймс Ватт не смог получить точно расточенный цилиндр для своего первого парового двигателя, пытаясь в течение нескольких лет, пока Джон Уилкинсон не изобрел подходящий расточный станок в 1774 году, растачивая первый коммерческий двигатель Boulton & Watt в 1776 году. [8] [9]
Прогресс в точности станков можно отнести к Генри Модслею и усовершенствовать Джозефу Уитворту . То, что Модслей наладил производство и использование эталонных плоских датчиков в своем магазине (Maudslay & Field), расположенном на Вестминстер-роуд к югу от реки Темзы в Лондоне около 1809 года, было засвидетельствовано Джеймсом Нэсмитом [ 10] , который работал у Модслея в 1829 году. и Нэсмит задокументировал их использование в своей автобиографии.
Процесс производства эталонных плоских калибров восходит к древности, но был до беспрецедентной степени усовершенствован в мастерской Модсли. Процесс начинается с трех квадратных пластин, каждая из которых имеет идентификационный номер (например, 1, 2 и 3). Первым шагом является стирание пластин 1 и 2 вместе с маркировочным средством (сегодня это называется воронением), обнажая выпуклости, которые можно удалить вручную стальным скребком до тех пор, пока неровности не перестанут быть видимыми. Это приведет не к созданию истинно плоских поверхностей, а к вогнуто-вогнутой и выпукло-выпуклой посадке «шар и гнездо», поскольку эта механическая посадка, как и две идеальные плоскости, может скользить друг по другу и не обнаруживать выступов. Притирание и разметку повторяют после поворота 2 относительно 1 на 90 градусов для устранения вогнуто-выпуклой «картофельной» кривизны. Затем пластину номер 3 сравнивают и соскабливают, чтобы она соответствовала пластине номер 1 в тех же двух испытаниях. Таким образом, пластины номер 2 и 3 будут идентичными. Следующие пластины номер 2 и 3 будут сверены друг с другом, чтобы определить, в каком состоянии они находились: либо обе пластины были «шариками», либо «гнездами», либо «чипами», либо их комбинацией. Затем их соскабливали до тех пор, пока не исчезали выступы, а затем сравнивали с пластиной номер 1. Повторение этого процесса сравнения и соскабливания трех пластин могло привести к получению плоских поверхностей с точностью до миллионных долей дюйма (толщина маркировочного материала).
В традиционном методе изготовления рейсмусов использовался абразивный порошок, втираемый между пластинами для удаления выступающих точек, но именно Уитворт внес усовершенствование, заменив шлифовку ручным соскабливанием. Где-то после 1825 года Уитворт пошел работать на Модсли, и именно там Уитворт усовершенствовал ручную очистку основных плоскомеров поверхности. В своей статье, представленной Британской ассоциации содействия развитию науки в Глазго в 1840 году, Уитворт указал на присущую шлифованию неточность из-за отсутствия контроля и, следовательно, неравномерного распределения абразивного материала между пластинами, что приводило к неравномерному удалению материала из пластин. тарелки.
Благодаря созданию шаблонов плоскостей такой высокой точности все критические компоненты станков (т. е. направляющие поверхности, такие как пути станка) можно было затем сравнивать с ними и очищать до желаемой точности. [8] Первые станки, предложенные для продажи (то есть коммерчески доступные), были построены Мэтью Мюрреем в Англии около 1800 года. [11] Другие, такие как Генри Модслей , Джеймс Нэсмит и Джозеф Уитворт , вскоре пошли по пути расширения своего производства. предпринимательство от производства конечной продукции и работы слесарей в сфере строительных станков для продажи.
Важные ранние станки включали токарный станок с суппортом, токарно-винторезный станок , револьверный токарный станок , фрезерный станок , токарный станок с трассировкой рисунка, строгальный станок и строгальный станок по металлу , которые использовались до 1840 года . Цель производства взаимозаменяемых деталей была наконец реализована. Важным ранним примером того, что сейчас считается само собой разумеющимся, была стандартизация винтовых соединений, таких как гайки и болты. Примерно до начала XIX века они использовались парами, и даже винты одной и той же машины, как правило, не были взаимозаменяемыми. [13] Были разработаны методы нарезания винтовой резьбы с большей точностью, чем у подающего винта на используемом токарном станке. Это привело к появлению стандартов длины стержней 19 и начала 20 веков.
Американское производство станков стало решающим фактором в победе союзников во Второй мировой войне. За время войны производство станков в США утроилось. Ни одна война не была более индустриализированной, чем Вторая мировая война, и написано, что войну выиграли как механические мастерские , так и пулеметы. [14] [15]
Производство станков сосредоточено примерно в 10 странах мира: Китае, Японии, Германии, Италии, Южной Корее, Тайване, Швейцарии, США, Австрии, Испании и ряде других. Инновации в области станков продолжаются в нескольких государственных и частных исследовательских центрах по всему миру.
[Вся] токарная обработка железа для хлопкового оборудования, построенного г-ном Слейтером, производилась с помощью ручных долот или инструментов на токарных станках, вращаемых рукоятками с ручной силой.
- Дэвид Уилкинсон [16]
Станки могут питаться от различных источников. В прошлом использовалась энергия человека и животных (с помощью рукояток , педалей , беговых дорожек или беговых колес ), а также энергия воды (с помощью водяного колеса ); однако после разработки паровых двигателей высокого давления в середине 19 века на заводах все чаще использовалась энергия пара. Заводы также использовали гидравлическую и пневматическую энергию. Многие небольшие мастерские продолжали использовать воду, энергию человека и животных до электрификации после 1900 года. [17]
Сегодня большинство станков работают от электричества; Иногда используется гидравлическая и пневматическая мощность, но это редкость. [ нужна цитата ]
Станки могут управляться вручную или под автоматическим управлением. [18] Ранние машины использовали маховики для стабилизации своего движения и имели сложные системы шестерен и рычагов для управления машиной и обрабатываемой деталью. Вскоре после Второй мировой войны была разработана машина с числовым программным управлением (ЧПУ). Машины с ЧПУ использовали серию чисел, нанесенных на бумажную ленту или перфокарты , чтобы управлять своим движением. В 1960-е годы были добавлены компьютеры , чтобы сделать процесс еще более гибким. Такие машины стали известны как машины с числовым программным управлением (ЧПУ) . Станки с ЧПУ и ЧПУ могли точно повторять последовательности снова и снова и могли производить гораздо более сложные детали, чем даже самые опытные операторы инструментов. [ нужна цитата ]
Вскоре машины могли автоматически менять конкретные используемые режущие и формовочные инструменты. Например, сверлильный станок может содержать магазин с различными сверлами для проделывания отверстий разных размеров. Раньше для выполнения этих различных операций операторам станков обычно приходилось вручную менять сверло или перемещать заготовку на другую станцию. Следующим логическим шагом было объединение нескольких различных станков под управлением компьютера. Они известны как обрабатывающие центры и кардинально изменили способ изготовления деталей. [ нужна цитата ]
Примеры станков:
При изготовлении или формовании деталей используются несколько методов удаления нежелательного металла. Среди них:
Для добавления желаемого материала используются другие методы . Устройства, в которых компоненты изготавливаются путем выборочного добавления материала, называются машинами быстрого прототипирования .
По данным исследования, проведенного исследовательской фирмой Gardner Research, в 2014 году объем мирового рынка станков составил около 81 миллиарда долларов. [19] Крупнейшим производителем станков был Китай с объемом производства в 23,8 миллиарда долларов, за ним следовали Германия и Япония с 12,9 миллиарда долларов и 12,88 миллиарда долларов соответственно. [19] Южная Корея и Италия замыкают пятерку крупнейших производителей с доходом в $5,6 млрд и $5 млрд соответственно. [19]
. Биография станкостроителя, содержащая также общую историю отрасли.
