Станок — это машина для обработки или обработки металла или других жестких материалов, обычно путем резки, расточки , шлифовки , резки или других форм деформаций. Станки используют какой-либо инструмент, который выполняет резку или формовку. Все станки имеют некоторые средства ограничения заготовки и обеспечивают направленное движение частей машины. Таким образом, относительное движение между заготовкой и режущим инструментом (которое называется траекторией инструмента ) контролируется или ограничивается машиной, по крайней мере, в некоторой степени, а не является полностью «экспромтом» или «от руки». Это приводной металлорежущий станок, который помогает управлять необходимым относительным движением между режущим инструментом и работой, которая изменяет размер и форму материала работы. [1]
Точное определение термина « станок» различается среди пользователей, как обсуждается ниже. Хотя все станки — это «машины, которые помогают людям делать вещи», не все заводские станки являются станками.
Сегодня станки, как правило, приводятся в действие не мускульной силой человека (например, электричеством, гидравликой или через трансмиссионный вал ), и используются для изготовления деталей (компонентов) различными способами, включая резку или некоторые другие виды деформации.
Благодаря присущей им точности станки позволили экономично производить взаимозаменяемые детали .
Многие историки технологий считают, что настоящие станки появились, когда траектория инструмента впервые стала направляться самой машиной каким-то образом, по крайней мере, в некоторой степени, так что прямое, свободное человеческое руководство траекторией инструмента (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 инструментами , просто предоставил ярлык для «инструментов, которые были машинами, а не ручными инструментами». Ранние токарные станки , те, что были до позднего средневековья , и современные деревообрабатывающие токарные станки и гончарные круги могут подпадать под это определение или нет, в зависимости от того, как рассматривать сам шпиндель передней бабки ; но самые ранние исторические записи о токарном станке с прямым механическим управлением траекторией режущего инструмента относятся к токарно-винторезному станку, датируемому примерно 1483 годом. [2] Этот токарный станок «производил винтовую резьбу из дерева и использовал настоящий суппорт с кареткой».
Механическое управление траекторией инструмента возникло из различных основных концепций:
Абстрактно программируемое управление траекторией инструмента началось с механических решений, таких как кулачки музыкальных шкатулок и жаккардовые ткацкие станки . Сближение программируемого механического управления с управлением траекторией инструмента станка было отложено на многие десятилетия, отчасти потому, что программируемые методы управления музыкальными шкатулками и ткацкими станками не обладали жесткостью для траекторий инструмента станка. Позже были добавлены электромеханические решения (такие как сервоприводы ) и вскоре электронные решения (включая компьютеры ), что привело к числовому управлению и числовому компьютерному управлению .
При рассмотрении разницы между траекториями инструмента, заданными вручную, и траекториями инструмента, ограниченными машиной, понятия точности , эффективности и производительности становятся важными для понимания того, почему вариант с ограничениями машиной имеет дополнительную ценность .
«Производство» с добавлением, сохранением и вычитанием материи может осуществляться шестнадцатью способами: во-первых, заготовку можно держать либо в руке, либо в зажиме; во-вторых, инструмент можно держать либо в руке, либо в зажиме; в-третьих, энергия может поступать либо из рук, удерживающих инструмент и/или заготовку, либо из какого-либо внешнего источника, включая, например, педаль того же рабочего или двигатель, без ограничений; и, наконец, управление может осуществляться либо из рук, удерживающих инструмент и/или заготовку, либо из какого-либо другого источника, включая числовое программное управление. При наличии двух вариантов выбора для каждого из четырех параметров типы сводятся к шестнадцати типам производства, где «добавление материи» может означать как рисование на холсте, так и 3D-печать под управлением компьютера, «сохранение материи» может означать ковку в угольном огне или штамповку номерных знаков, а «вычитание материи» может означать как небрежную обрезку кончика карандаша, так и прецизионную шлифовку окончательной формы турбинной лопатки, нанесенной лазером.
Точное описание того, что такое 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 в любом станке произвольно, и для того, чтобы визуализировать этот вектор, имеет смысл расположить его в четыре ряда по три столбца с метками xy и z в столбцах и метками spin и move в строках, причем эти две метки повторяются еще раз, чтобы в общей сложности получилось четыре строки, так что первая строка может быть обозначена как spin work, вторая строка может быть обозначена как move work, третья строка может быть обозначена как spin tool, а четвертая строка может быть обозначена как move tool, хотя расположение меток произвольно, то есть в литературе по машиностроению нет единого мнения о том, в каком порядке должны располагаться эти метки, но в станке есть 12 степеней свободы. Тем не менее, важно помнить, что это происходит в момент времени, и этот момент времени может быть подготовительным моментом перед тем, как инструмент войдет в контакт с заготовкой, или, может быть, моментом взаимодействия, во время которого контакт с работой и инструментом требует ввода довольно большого количества энергии для выполнения работы, поэтому станки большие, тяжелые и жесткие. Поскольку то, что эти векторы описывают наши мгновенные моменты степеней свободы, векторная структура способна выражать изменяющийся режим станка, а также выражать его фундаментальную структуру следующим образом: представьте себе токарный станок, проводящий цилиндр по горизонтальной оси с инструментом, готовым вырезать поверхность на этом цилиндре в какой-то подготовительный момент. То, что сделал бы оператор такого токарного станка, — это заблокировал бы ось x на каретке токарного станка, установив новое векторное состояние с нулем в положении скольжения x для инструмента. Затем оператор разблокирует ось Y на поперечном суппорте токарного станка, предполагая, что наши примеры оснащены этим, а затем оператор применит какой-либо метод перемещения торцевого инструмента по поверхности разрезаемого цилиндра и глубину в сочетании с выбранной скоростью вращения, которая включает режущую способность в пределах мощности двигателя, приводящего в действие токарный станок. Таким образом, ответ на вопрос, что такое станок, очень прост, но он очень техничен и не связан с историей станков.
Ранее был дан 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 особенности деталей машин, путем удаления стружки. Эта стружка может быть очень грубой или даже такой мелкой, как пыль. Каждый станок поддерживает свой процесс удаления жесткой, избыточной и, следовательно, устойчивой к вибрации структурой, поскольку каждая стружка удаляется полусинхронным образом, создавая множество возможностей для вибрации, мешающей точности.
Люди, как правило, довольно талантливы в своих движениях от руки; рисунки, картины и скульптуры таких художников, как Микеланджело или Леонардо да Винчи , и бесчисленного множества других талантливых людей, показывают, что траектория инструмента от руки человека имеет большой потенциал. Ценность , которую станки добавили к этим человеческим талантам, заключается в областях жесткости (ограничение траектории инструмента, несмотря на тысячи ньютонов ( фунтов ) силы, борющейся с ограничением), точности и аккуратности , эффективности и производительности . С помощью станка можно ограничить траектории инструмента, которые не может ограничить ни одна человеческая мышца; и траектории инструмента, которые технически возможны с помощью методов от руки, но требуют огромного времени и навыков для выполнения, вместо этого могут быть выполнены быстро и легко, даже людьми с небольшим талантом к работе от руки (потому что об этом заботится машина). Последний аспект станков часто упоминается историками bytechnology как «встраивание навыка в инструмент», в отличие от навыка ограничения траектории инструмента, находящегося в человеке , который владеет инструментом. Например, физически возможно изготавливать взаимозаменяемые винты, болты и гайки полностью с помощью ручных траекторий инструмента. Но экономически целесообразно изготавливать их только с помощью станков.
В 1930-х годах Национальное бюро экономических исследований США (NBER) дало определение станка как «любой машины, работающей не от руки, которая использует инструмент для обработки металла» [3] .
Самый узкий разговорный смысл термина резервирует его только для машин, которые выполняют резку металла — другими словами, многочисленные виды [традиционной] обработки и шлифования . Эти процессы являются типом деформации, которая производит стружку . Однако экономисты используют немного более широкий смысл, который также включает в себя деформацию металла других типов, которые сжимают металл в форму без отрезания стружки, такие как прокатка, штамповка штампами , резка, ковка , клепка и другие. Таким образом , прессы обычно включаются в экономическое определение станков. Например, это широта определения, используемого Максом Холландом в его истории Burgmaster и Houdaille , [4] , которая также является историей станкостроительной промышленности в целом с 1940-х по 1980-е годы; он отражал смысл термина, используемый самой Houdaille и другими фирмами в отрасли. Во многих отчетах об экспорте и импорте станков и подобных экономических темах используется это более широкое определение.
Разговорный смысл, подразумевающий [обычную] резку металла, также устаревает из-за меняющихся технологий на протяжении десятилетий. Многие недавно разработанные процессы, называемые «обработкой», такие как электроэрозионная обработка , электрохимическая обработка , электронно-лучевая обработка , фотохимическая обработка и ультразвуковая обработка или даже плазменная резка и резка струей воды , часто выполняются машинами, которые логичнее всего было бы назвать станками. Кроме того, некоторые из недавно разработанных процессов аддитивного производства , которые заключаются не в резке материала, а в его добавлении, выполняются машинами, которые, скорее всего, в некоторых случаях будут называться станками. Фактически, производители станков уже разрабатывают машины, которые включают как субтрактивное , так и аддитивное производство в одной рабочей зоне, [5] и модернизация существующих машин ведется. [6]
Естественное использование терминов в языке варьируется, с тонкими коннотативными границами. Многие носители языка сопротивляются использованию термина «станок» для обозначения деревообрабатывающего оборудования (столяры, настольные пилы, фрезерные станции и т. д.), но трудно поддерживать какую-либо истинную логическую разделительную линию, и поэтому многие носители языка принимают широкое определение. Часто можно услышать, как машинисты называют свои станки просто «станками». Обычно неисчисляемое существительное «станок» охватывает их, но иногда оно используется для обозначения только тех станков, которые исключаются из определения «станок». Вот почему станки на заводе по переработке пищевых продуктов, такие как конвейеры, миксеры, сосуды, разделители и т. д., могут быть обозначены как «станки», в то время как станки в инструментальном и штамповом отделах завода вместо этого называются «станками» в противовес этому.
Что касается приведенного выше определения NBER 1930-х годов, можно утверждать, что его специфичность к металлу устарела, поскольку сегодня довольно распространено, что определенные токарные станки, фрезерные станки и обрабатывающие центры (определенно станки) работают исключительно с пластиковыми работами на протяжении всего срока службы. Таким образом, приведенное выше определение NBER можно расширить, сказав «который использует инструмент для работы с металлом или другими материалами высокой твердости ». И его специфичность к «работе с использованием силы, отличной от силы руки» также проблематична, поскольку станки могут приводиться в действие людьми, если они соответствующим образом настроены, например, с помощью педали (для токарного станка ) или ручного рычага (для строгального станка ). Ручные строгальные станки, очевидно, «то же самое, что и строгальные станки с электродвигателями, только меньше», и тривиально приводить в действие микротокарный станок с помощью ременного шкива с ручным приводом вместо электродвигателя. Таким образом, можно задаться вопросом, является ли источник питания действительно ключевым отличительным понятием; но для экономических целей определение NBER имело смысл, поскольку большая часть коммерческой ценности существования станков возникает через те, которые работают от электричества, гидравлики и т. д. Таковы капризы естественного языка и контролируемого словаря , оба из которых имеют свое место в деловом мире.
Предшественниками станков были лучковые сверла и гончарные круги , которые существовали в Древнем Египте до 2500 г. до н. э., и 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 начала развиваться современная концепция станка — класса машин, используемых в качестве инструментов при изготовлении металлических деталей и включающих управляемую машиной траекторию инструмента. Часовщики Средневековья и люди эпохи Возрождения, такие как Леонардо да Винчи, помогли расширить технологическую среду людей в направлении предпосылок для промышленных станков. В течение 18-го и 19-го веков, и даже во многих случаях в 20-м, создателями станков, как правило, были те же люди, которые затем использовали их для производства конечных продуктов (промышленных товаров). Однако из этих корней также развилась отрасль станкостроения, как мы ее понимаем сегодня, то есть людей, которые специализируются на производстве станков для продажи другим лицам.
Историки станков часто сосредотачиваются на нескольких основных отраслях, которые больше всего подстегнули развитие станков. В порядке исторического появления это были огнестрельное оружие (стрелковое оружие и артиллерия ); часы ; текстильное оборудование; паровые двигатели ( стационарные , морские , железнодорожные и другие ) (история о том, как потребность Уатта в точном цилиндре подстегнула расточную машину Болтона, обсуждается Ро [8] ); швейные машины ; велосипеды ; автомобили ; и самолеты . Другие также могут быть включены в этот список, но они, как правило, связаны с уже перечисленными первопричинами. Например, подшипники качения сами по себе являются отраслью, но основными двигателями развития этой отрасли были уже перечисленные транспортные средства — поезда, велосипеды, автомобили и самолеты; и другие отрасли, такие как тракторы, сельскохозяйственные орудия и танки, во многом заимствованные из тех же самых родительских отраслей.
Станки удовлетворяли потребность, созданную текстильным оборудованием 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. Рост механизации потребовал больше металлических деталей, которые обычно изготавливались из чугуна или кованого железа . Чугун можно было отливать в формах для более крупных деталей, таких как цилиндры двигателей и шестерни, но его было трудно обрабатывать напильником, и его нельзя было ковать. Раскаленное докрасна кованое железо можно было ковать в формы. Кованое железо комнатной температуры обрабатывалось напильником и зубилом и могло превращаться в шестерни и другие сложные детали; однако ручная обработка была недостаточно точной и была медленным и дорогим процессом.
Джеймс Уатт не смог точно расточить цилиндр для своего первого парового двигателя, и пытался это сделать в течение нескольких лет, пока Джон Уилкинсон не изобрел подходящий расточной станок в 1774 году, растачивая первый коммерческий двигатель Болтона и Уатта в 1776 году . [8] [9]
Прогресс в точности станков можно проследить до Генри Модсли и усовершенствовать Джозефом Уитвортом . То, что Модсли наладил производство и использование эталонных плоскостных калибров в своей мастерской (Maudslay & Field), расположенной на Вестминстер-роуд к югу от реки Темзы в Лондоне около 1809 года, было засвидетельствовано Джеймсом Нейсмитом [10] , который работал у Модсли в 1829 году, и Нейсмит задокументировал их использование в своей автобиографии.
Процесс, с помощью которого изготавливались эталонные плоскостные калибры, восходит к античности, но был усовершенствован до беспрецедентной степени в мастерской Модсли. Процесс начинается с трех квадратных пластин, каждой из которых присваивается идентификация (например, 1, 2 и 3). Первый шаг — натирание пластин 1 и 2 друг о друга маркировочной средой (сегодня это называется синением), выявляя выступы, которые удаляются ручным соскабливанием стальным скребком, пока не исчезнут неровности. Это не даст истинно плоских поверхностей, а «шаровую и гнездовую» вогнуто-вогнутую и выпукло-выпуклую посадку, поскольку эта механическая посадка, как две идеальные плоскости, может скользить друг по другу и не выявлять выступов. Натирание и маркировка повторяются после поворота 2 относительно 1 на 90 градусов, чтобы устранить вогнуто-выпуклую кривизну «картофельных чипсов». Затем пластина номер 3 сравнивается и соскабливается, чтобы соответствовать пластине номер 1 в тех же двух испытаниях. Таким образом, пластины номер 2 и 3 будут идентичны. Затем пластины номер 2 и 3 будут проверены друг на друга, чтобы определить, какое состояние имелось, либо обе пластины были "шариками", или "гнездами", или "чипами", или их комбинацией. Затем их будут скоблить до тех пор, пока не останется никаких выступов, а затем сравнивать с пластиной номер 1. Повторение этого процесса сравнения и скобления трех пластин может производить плоские поверхности с точностью до миллионных долей дюйма (толщина маркировочной среды).
Традиционный метод производства поверхностных калибров использовал абразивный порошок, который втирали между пластинами для удаления выступов, но именно Уитворт внес усовершенствование, заменив шлифование ручным шабрением. Где-то после 1825 года Уитворт пошел работать на Модсли, и именно там Уитворт усовершенствовал ручное шабрение эталонных поверхностных калибров. 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 с пластин.
С созданием эталонных плоскостных калибров такой высокой точности все критические компоненты станков (т. е. направляющие поверхности, такие как направляющие станка) можно было затем сравнивать с ними и шабрить до желаемой точности. [8] Первые станки, предлагаемые для продажи (т. е. коммерчески доступные), были построены Мэтью Мюрреем в Англии около 1800 года. [11] Другие, такие как Генри Модсли , Джеймс Нейсмит и Джозеф Уитворт , вскоре пошли по пути расширения своего предпринимательства от готовых конечных продуктов и работы слесаря в сферу строительства станков для продажи.
Важные ранние станки включали токарный станок с ползунами, токарно-винторезный станок , токарный станок с револьверной головкой , фрезерный станок , токарный станок с трассировкой шаблонов, форморез и строгальный станок по металлу , которые все использовались до 1840 года. [12] С этими станками десятилетняя цель производства взаимозаменяемых деталей была наконец реализована. Важным ранним примером того, что теперь считается само собой разумеющимся, была стандартизация винтовых креплений, таких как гайки и болты. Примерно до начала 19-го века они использовались парами, и даже винты одного и того же станка, как правило, не были взаимозаменяемыми. [13] Были разработаны методы нарезания винтовой резьбы с большей точностью, чем у подающего винта в используемом токарном станке. Это привело к появлению стандартов длины прутка 19-го и начала 20-го веков.
Американское производство станков было решающим фактором в победе союзников во Второй мировой войне. Производство станков в Соединенных Штатах утроилось во время войны. Ни одна война не была более индустриализированной, чем Вторая мировая война, и было написано, что война была выиграна в равной степени машинными цехами , как и пулеметами. [14] [15]
Производство станков сосредоточено примерно в 10 странах мира: Китай, Япония, Германия, Италия, Южная Корея, Тайвань, Швейцария, США, Австрия, Испания и некоторые другие. Инновации в области станков продолжаются в нескольких государственных и частных исследовательских центрах по всему миру.
[В]ся токарная обработка железа для хлопчатобумажных машин, построенных мистером Слейтером, производилась ручными зубилами или инструментами на токарных станках, вращавшихся рукоятками с ручным приводом.
— Дэвид Уилкинсон [16]
Станки могут получать питание из различных источников. В прошлом использовалась человеческая и животная сила (через кривошипы , педали , беговые дорожки или ступенчатые колеса ), а также сила воды (через водяное колесо ); однако после разработки паровых двигателей высокого давления в середине 19 века фабрики все чаще использовали паровую энергию. Фабрики также использовали гидравлическую и пневматическую энергию. Многие небольшие мастерские продолжали использовать воду, человеческую и животную силу вплоть до электрификации после 1900 года. [17]
Сегодня большинство станков работают от электричества; иногда используются гидравлические и пневматические приводы, но это встречается редко. [ необходима цитата ]
Станки могут управляться вручную или под автоматическим управлением. [18] Ранние станки использовали маховики для стабилизации своего движения и имели сложные системы шестеренок и рычагов для управления станком и обрабатываемой деталью. Вскоре после Второй мировой войны был разработан станок с числовым программным управлением (ЧПУ). Станки с числовым программным управлением использовали ряд цифр, пробитых на бумажной ленте или перфокартах, для управления своим движением. В 1960-х годах были добавлены компьютеры , чтобы придать процессу еще большую гибкость. Такие станки стали известны как станки 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. [ необходима цитата ]
Вскоре станки могли автоматически менять конкретные режущие и формовочные инструменты, которые использовались. Например, сверлильный станок мог содержать магазин с различными сверлами для производства отверстий разных размеров. Раньше операторам станков обычно приходилось вручную менять сверло или перемещать заготовку на другую станцию для выполнения этих различных операций. Следующим логическим шагом было объединение нескольких различных станков вместе, все под управлением компьютера. Они известны как обрабатывающие центры и кардинально изменили способ изготовления деталей. [ необходима цитата ]
Примерами станков являются:
При изготовлении или формовке деталей используются несколько методов удаления ненужного металла. Среди них:
Другие методы используются для добавления желаемого материала. Устройства, которые изготавливают компоненты путем выборочного добавления материала, называются машинами быстрого прототипирования .
Согласно исследованию исследовательской компании Gardner Research, в 2014 году объем мирового рынка станков составил около 81 миллиарда долларов США. [19] Крупнейшим производителем станков был Китай с объемом производства 23,8 миллиарда долларов США, за которым следовали Германия и Япония с объемом производства 12,9 миллиарда долларов США и 12,88 миллиарда долларов США соответственно. [19] Южная Корея и Италия замкнули пятерку крупнейших производителей с доходом 5,6 миллиарда долларов США и 5 миллиардов долларов США соответственно. [19]
. Биография станкостроителя, которая также содержит некоторые общие сведения об истории отрасли.
