Станки для обработки металла и других твердых материалов

Введение

Машины для обработки или механической обработки металла или других твердых материалов.

Станок – это машина для обработки или механической обработки металла или других твердых материалов, как правило, посредством резания, сверления, шлифования, вырубки или других видов деформации. В станках используется режущий или формообразующий инструмент. Все станки имеют средства для фиксации заготовки и обеспечивают направленное движение деталей станка. Таким образом, относительное движение между заготовкой и режущим инструментом (называемое траекторией инструмента) контролируется или ограничивается машиной в той или иной степени, а не выполняется полностью «вручную» или «на глаз». Это приводной станок для резки металла, который обеспечивает управление необходимым относительным движением между режущим инструментом и заготовкой, изменяя размер и форму материала заготовки. Точное определение термина «станок» варьируется в зависимости от пользователя, как будет описано ниже. Хотя все станки – это «машины, помогающие людям создавать вещи», не все фабричные машины являются станками. Сегодня станки обычно приводятся в действие не мускульной силой человека (например, электричеством, гидравликой или через приводной вал), а используются для изготовления деталей (компонентов) различными способами, включающими резку или другие виды деформации. Благодаря своей высокой точности станки обеспечили экономичное производство взаимозаменяемых деталей.

История

Предшественниками станков были луковые сверла и гончарные круги, существовавшие в Древнем Египте до 2500 г. до н.э., и токарные станки, известные в различных регионах Европы, начиная как минимум с 1000–500 гг. до н.э. Однако современное понимание станка – класса машин, используемых как инструменты при изготовлении металлических деталей и включающих в себя управляемый станком тракт инструмента – начало формироваться лишь в позднем Средневековье и эпоху Просвещения. Часовые мастера Средневековья и деятели эпохи Возрождения, такие как Леонардо да Винчи, способствовали расширению технологической базы человечества, создавая предпосылки для промышленных станков. В XVIII и XIX веках, и даже во многих случаях в XX веке, строители станков зачастую были теми же людьми, которые затем использовали их для производства конечной продукции (изделий). Однако из этих корней также развилась индустрия станкостроителей в современном понимании – специалистов, занимающихся производством станков для продажи другим. Историки станков часто сосредотачиваются на нескольких ключевых отраслях, которые наиболее стимулировали развитие станков. В порядке исторического появления это: 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 стимулировала создание бурильной машины Боултона, описана Роу); швейные машины; велосипеды; автомобили и самолеты. В этот список можно включить и другие отрасли, но они, как правило, связаны с уже перечисленными первопричинами. Например, подшипники качения – это самостоятельная отрасль, но основными факторами ее развития были уже упомянутые транспортные средства – поезда, велосипеды, автомобили и самолеты, а также другие отрасли, такие как тракторы, сельскохозяйственные орудия и танки, которые в значительной степени заимствовали технологии из этих базовых отраслей. Станки удовлетворяли потребность, созданную текстильными машинами во время промышленной революции в Англии в середине и конце 1700-х годов. Улучшение точности станков связано с именем Генри Модслея и было доведено до совершенства Джозефом Уитвортом. Тот факт, что Модсли организовал производство и использование эталонных плоских шаблонов в своей мастерской (Maudslay & Field), расположенной на Вестминстер-роуд к югу от Темзы в Лондоне около 1809 года, подтвердил Джеймс Насмит, который был принят на работу к Модслею в 1829 году и задокументировал их использование в своей автобиографии. Процесс изготовления эталонных плоских шаблонов восходит к античности, но был усовершенствован до беспрецедентного уровня в мастерской Модслея. Процесс начинается с трех квадратных пластин, каждой из которых присваивается идентификационный номер (например, 1, 2 и 3). Первый шаг – это обтирка пластин 1 и 2 друг о друга с использованием маркировочной среды (сегодня известной как «синь»), выявляющая высокие участки, которые удаляются ручным скребком стальным скребком, пока не останется никаких неровностей. Это не создает идеально плоские поверхности, а обеспечивает плотное прилегание типа «шар-гнездо», когда вогнутые и выпуклые поверхности идеально сочетаются друг с другом и не обнаруживают высоких участков. Обтирка и маркировка повторяются после поворота пластины 2 относительно пластины 1 на 90 градусов, чтобы устранить вогнуто-выпуклую кривизну типа «картофельной чипсины». Затем пластина № 3 сравнивается и скребется для соответствия пластине № 1 в тех же двух испытаниях. Таким образом, пластины № 2 и № 3 будут идентичны. Далее пластины № 2 и № 3 проверяются друг на друга, чтобы определить их состояние: обе пластины являются «шарами» или «гнездами», или «чипсами», или их комбинацией. Затем их скребут до тех пор, пока не останется высоких участков, и сравнивают с пластиной № 1. Повторение этого процесса сравнения и скребка трех пластин может привести к созданию плоских поверхностей с точностью до миллионных долей дюйма (толщины маркировочной среды). Традиционный метод изготовления плоских шаблонов использовал абразивный порошок, втираемый между пластинами для удаления высоких участков, но именно Уитворт внес усовершенствование, заменив шлифовку ручным скребком. Примерно после 1825 года Уитворт устроился на работу к Модслею, и именно там он довел до совершенства ручное скребление эталонных плоских шаблонов. В своей статье, представленной на заседании Британской ассоциации содействия науке в Глазго в 1840 году, Уитворт указал на присущую шлифовке неточность из-за отсутствия контроля и неравномерного распределения абразивного материала между пластинами, что приводит к неравномерному удалению материала. С созданием эталонных плоских шаблонов такой высокой точности все критически важные компоненты станков (например, направляющие поверхности, такие как станины) могли быть с ними сравнены и доведены до требуемой точности. Генри Модслей, Джеймс Насмит и Джозеф Уитворт вскоре последовали пути расширения своего предпринимательства от производства конечной продукции и работы слесарями до производства станков для продажи. Важными ранними станками были токарный станок с суппортом, токарный станок с резьбонарезным оборудованием, револьверный токарный станок, фрезерный станок, токарный станок с копированием, зубонарезной станок и металлострогальный станок, которые все были в эксплуатации до 1840 года. С помощью этих станков была наконец-то реализована многолетняя цель – производство взаимозаменяемых деталей. Важным ранним примером того, что сейчас воспринимается как должное, была стандартизация резьбовых соединений, таких как гайки и болты. До начала XIX века они использовались парами, и даже болты одного и того же станка обычно не были взаимозаменяемыми. Были разработаны методы резки резьбы с большей точностью, чем подача винта токарного станка. Это привело к стандартам длины прутка в XIX и начале XX веков. Американское производство станков было критически важным фактором победы союзников во Второй мировой войне. Производство станков утроилось в Соединенных Штатах во время войны. Вторая мировая война была самой индустриализированной войной, и было написано, что война была выиграна не меньше машиностроительными мастерскими, чем пулеметами. Производство станков сосредоточено примерно в 10 странах мира: Китай, Япония, Германия, Италия, Южная Корея, Тайвань, Швейцария, США, Австрия, Испания и несколько других. Инновации в станкостроении продолжаются в нескольких государственных и частных исследовательских центрах по всему миру.

Forerunners of machine tools included bow drills and potter's wheels, which had existed in ancient Egypt prior to 2500 BC, and lathes, known to have existed in multiple regions of Europe since at least 1000 to 500 BC. But it was not until the later Middle Ages and the Age of Enlightenment that the modern concept of a machine tool—a class of machines used as tools in the making of metal parts, and incorporating machine guided toolpath—began to evolve. Clockmakers of the Middle Ages and renaissance men such as Leonardo da Vinci helped expand humans' technological milieu toward the preconditions for industrial machine tools. During the 18th and 19th centuries, and even in many cases in the 20th, the builders of machine tools tended to be the same people who would then use them to produce the end products (manufactured goods). However, from these roots also evolved an industry of machine tool builders as we define them today, meaning people who specialize in building machine tools for sale to others. Historians of machine tools often focus on a handful of major industries that most spurred machine tool development. In order of historical emergence, they have been firearms (small arms and artillery); clocks; textile machinery; steam engines (stationary, marine, rail, and otherwise) (the story of how Watt's need for an accurate cylinder spurred Boulton's boring machine is discussed by Roe); sewing machines; bicycles; automobiles; and aircraft. Others could be included in this list as well, but they tend to be connected with the root causes already listed. For example, rolling element bearings are an industry of themselves, but this industry's main drivers of development were the vehicles already listed—trains, bicycles, automobiles, and aircraft; and other industries, such as tractors, farm implements, and tanks, borrowed heavily from those same parent industries. Machine tools filled a need created by textile machinery during the Industrial Revolution in England in the middle to late 1700s. The advance in the accuracy of machine tools can be traced to Henry Maudslay and refined by Joseph Whitworth. That Maudslay had established the manufacture and use of master plane gages in his shop (Maudslay & Field) located on Westminster Road south of the Thames River in London about 1809, was attested to by James Nasmyth who was employed by Maudslay in 1829 and Nasmyth documented their use in his autobiography. The process by which the master plane gages were produced dates back to antiquity but was refined to an unprecedented degree in the Maudslay shop. The process begins with three square plates each given an identification (ex., 1,2 and 3). The first step is to rub plates 1 and 2 together with a marking medium (called bluing today) revealing the high spots which would be removed by hand scraping with a steel scraper, until no irregularities were visible. This would not produce true plane surfaces but a "ball and socket" concave concave and convex convex fit, as this mechanical fit, like two perfect planes, can slide over each other and reveal no high spots. The rubbing and marking are repeated after rotating 2 relative to 1 by 90 degrees to eliminate concave convex "potato chip" curvature. Next, plate number 3 is compared and scraped to conform to plate number 1 in the same two trials. In this manner plates number 2 and 3 would be identical. Next plates number 2 and 3 would be checked against each other to determine what condition existed, either both plates were "balls" or "sockets" or "chips" or a combination. These would then be scraped until no high spots existed and then compared to plate number 1. Repeating this process of comparing and scraping the three plates could produce plane surfaces accurate to within millionths of an inch (the thickness of the marking medium). The traditional method of producing the surface gages used an abrasive powder rubbed between the plates to remove the high spots, but it was Whitworth who contributed the refinement of replacing the grinding with hand scraping. Sometime after 1825, Whitworth went to work for Maudslay and it was there that Whitworth perfected the hand scraping of master surface plane gages. In his paper presented to the British Association for the Advancement of Science at Glasgow in 1840, Whitworth pointed out the inherent inaccuracy of grinding due to no control and thus unequal distribution of the abrasive material between the plates which would produce uneven removal of material from the plates. With the creation of master plane gages of such high accuracy, all critical components of machine tools (i. e., guiding surfaces such as machine ways) could then be compared against them and scraped to the desired accuracy. Others, such as Henry Maudslay, James Nasmyth, and Joseph Whitworth, soon followed the path of expanding their entrepreneurship from manufactured end products and millwright work into the realm of building machine tools for sale. Important early machine tools included the slide rest lathe, screw cutting lathe, turret lathe, milling machine, pattern tracing lathe, shaper, and metal planer, which were all in use before 1840. With these machine tools the decades old objective of producing interchangeable parts was finally realized. An important early example of something now taken for granted was the standardization of screw fasteners such as nuts and bolts. Before about the beginning of the 19th century, these were used in pairs, and even screws of the same machine were generally not interchangeable. Methods were developed to cut screw thread to a greater precision than that of the feed screw in the lathe being used. This led to the bar length standards of the 19th and early 20th centuries. American production of machine tools was a critical factor in the Allies' victory in World War II. Production of machine tools tripled in the United States in the war. No war was more industrialized than World War II, and it has been written that the war was won as much by machine shops as by machine guns. The production of machine tools is concentrated in about 10 countries worldwide: China, Japan, Germany, Italy, South Korea, Taiwan, Switzerland, US, Austria, Spain and a few others. Machine tool innovation continues in several public and private research centers worldwide.

Источники питания

Рабочие станки могут приводиться в действие от различных источников энергии. В прошлом использовались мускульная сила человека и животных (с помощью кривошипов, педалей, беговых дорожек или беговых колёс), а также энергия воды (с помощью водяного колеса). Однако, после разработки паровых двигателей высокого давления в середине XIX века, заводы всё чаще стали использовать паровую энергию. На заводах также применялись гидравлический и пневматический приводы. Многие небольшие мастерские продолжали использовать воду, мускульную силу человека и животных до наступления эпохи электрификации после 1900 года. Сегодня большинство рабочих станков питаются от электричества, гидравлический и пневматический приводы используются иногда, но это бывает редко.

Автоматическое управление

Рабочие станки могут управляться вручную или под автоматическим управлением. Ранние станки использовали маховики для стабилизации движения и имели сложные системы шестерен и рычагов для управления станком и обрабатываемой деталью. Вскоре после Второй мировой войны был разработан станок с числовым программным управлением (ЧПУ). Для управления движением станков ЧПУ использовалась серия чисел, пробитых на бумажной ленте или перфокартах. В 1960-х годах к ним добавили компьютеры, чтобы повысить гибкость процесса. Такие станки стали известны как станки с компьютерным числовым программным управлением (КЧПУ). Станки ЧПУ и КЧПУ могли точно повторять последовательности операций многократно и производить гораздо более сложные детали, чем даже самые квалифицированные операторы. Вскоре станки научились автоматически менять режущий и формообразующий инструмент. Например, сверлильный станок мог быть оснащен магазином с различными сверлами для изготовления отверстий разных размеров. Раньше операторам станков обычно приходилось вручную менять сверла или перемещать заготовку на другой участок для выполнения этих различных операций. Следующим логичным шагом стало объединение нескольких различных станков под управлением компьютера. Они известны как обрабатывающие центры и кардинально изменили способ изготовления деталей.

Производство станков

Мировой рынок станков в 2014 году достиг приблизительно 81 миллиарда долларов в объеме производства, согласно исследованию, проведенному аналитической компанией Gardner Research. Крупнейшим производителем станков был Китай с объемом производства 23,8 миллиарда долларов, за ним следовали Германия и Япония, практически на равных – 12,9 миллиарда и 12,88 миллиарда долларов соответственно. Южная Корея и Италия завершили первую пятерку производителей с выручкой 5,6 миллиарда и 5 миллиардов долларов соответственно.