Предпосылки создания автоматического оборудования

Автоматический токарный станок был создан в США, где развитие техники обработки металла началось позже, чем европейской. Первые металлорежущие станки, изготовленные в этой стране, были весьма несовершенными по сравнению со станками Г. Модели и его учеников.

В первой половине XIX в. станины американских станков были деревянными, с укрепленными па них железными направляющими. Отсутствие опытных станкостроителей и необходимость использования металлорежущих станков на предприятиях, выпускающих продукцию с взаимозаменяемыми деталями (прежде всего на оружейных заводах), приводили к внедрению простых станков и приспособлений, предназначавшихся специально для выполнения отдельной конкретной операции.

Первые наиболее совершенные станки, которые по своим характеристикам приближались к европейским образцам, были построены с использованием опыта английских машиностроителей. Так, токарный станок, изготовленный в 1853 г. в Нью-Йорке и обладавший хорошими техническими характеристиками, построен А. М. Фриландом, являвшимся последователем Витворта и использовавшим его опыт [6].

Качество американских станков во второй половине XIX в. было уже достаточно высоким. Станки выпускались серийно, причем вводилась полная взаимозаменяемость деталей и блоков станков одной фирмы. Движущиеся части подгонялись не одна к одной, а к специальным шаблонам, обеспечивавшим их идентичность. При поломке деталей достаточно было выписать с завода аналогичную и заменить ее без малейшей подгонки. Чтобы сократить ручной труд (при невозможности ликвидировать его совсем), детали предварительно обрабатывали на станках. Например, на заводах «Пратт энд Винти» плоскости для суппорта токарных станков сначала фрезеровали, затем строгали и потом «прискабливали» к шаблонам.

Ввиду того что кузнечные работы тогда плохо механизировались и автоматизировались, американские станкостроители предпочитали литые детали. Все ручки управления по возможности выносили на фартук станка. Включение прямого и обратного хода от ременной передачи обеспечивалось простым передвижением фрикционной муфты, входившей в зацепление с одним из вращающихся в противоположных направлениях барабанов. Для переключения подачи на противоположную служил обычный трензель с сателлитной шестерней.

Револьверный станок 1850 г. (США)

Во второй половине XIX в. были введены элементы, обеспечивавшие полную механизацию обработки - блок автоматической подачи по обеим координатам, совершенную систему крепления резца и детали. Режимы резания и подач изменялись быстро и без значительных усилий. В токарных станках имелись элементы автоматики - автоматический останов станка при достижении определенного размера, система автоматического регулирования скорости лобового точения и т. д.

Однако основной причиной ускорения прогресса американского станкостроения было не развитие традиционного токарного станка, который вообще принципиально улучшен быть уже не мог, а создание его модификации - револьверного станка.

Потребность в создании такого станка была связана с переходом в конце первой половины XIX в. от кремневых ружей к ударному капсюльному оружию. Для него требовалось большое количество винтов, и для их производства С. Фитч, взявший у правительства контракт на выпуск 30 тыс. пистолетов, спроектировал и построил в 1845 г. револьверный станок с 8 режущими инструментами в револьверной головке. В 1858 г. Г. Стоун предложил другую схему револьверного станка. Отметим, что это оборудование позволяло обходиться небольшим числом опытных наладчиков и использовать неквалифицированную рабочую силу при сохранении высокой производительности.

Основным преимуществом револьверных станков явилось резкое уменьшение времени, необходимого для смены режущего инструмента. Револьверные станки XIX в. имели обычно два суппорта - один отрезной, имевший одну только поперечную подачу, а второй - проходной, имевший только продольную подачу. На втором крепился револьверный патрон, несущий (в то время) до 10 инструментов. После одной операции резания и отвода резца в исходное положение патрон необходимо было повернуть для ввода в действие нового резца. В общем случае в функцию рабочего входит поворот резцового патрона, подача и крепление материала и режущего инструмента. Передвижение продольного суппорта обычно ограничивалось упорами и поэтому не требовало высокой квалификации рабочего. Все технологические операции здесь несложны и легко могли быть заменены автоматизированными узлами. Следовательно, револьверный станок относительно легко мог быть превращен в станок-автомат.

Передняя бабка револьверного станка американского производства второй половины XIX в. не представляет интереса, за исключением шпинделя и патрона, почти всегда сверленых (для подачи пруткового материала). Патрон оснащен механизмом зажима заготовки, которую можно зажимать и разжимать, не останавливая станок. Работа этих механизмов блокировалась с механизмом автоматической подачи обрабатываемого изделия. В 1871 г. Э. Пархурст запатентовал цанговый патрон и зажимной механизм подобного рода. Прототипом этого цангового патрона была цанга Витворта. Впоследствии были применены различные модели патронов с кулачками, зажимавшими и отпускавшими пруток во время работы станка (без его останова). Подача материала обеспечивалась вначале (с 1861 г.) просто грузом, который через блок крепился к прутку и продвигал его до упора, укрепленного в револьверном патроне, в момент разжимания кулачков. При большой массе прутка, однако, происходил сильный удар, что расстраивало станок. Для того, чтобы избежать такого удара, применялся тормоз типа дросселя или другое приспособление.

В США в револьверных станках чаще всего использовалась храповая рейка. При диаметре заготовки большем, чем 2-3 дюйма, на мощных станках использовали методы подачи специальными механизмами. Поворот револьверной головки при окончании операции и необходимости смены инструмента тоже был автоматизирован (с 1861 г.).

Следовательно, на различных револьверных и токарных станках можно было автоматически, без останова станка, осуществить продвижение заготовки и ее зажим, обработку (при механической продольной и поперечной подаче), удаление готовой детали и последующее повторение цикла. Однако до 70-х годов XIX в. использовались только некоторые из этих устройств, т. е. автоматизировались отдельные технологические операции, выполняемые на станках.

Тенденции автоматизации металлорежущего оборудования в США стимулировались рядом факторов. Среди них экономические факторы занимали главенствующее место. Простота управления этими станками позволяла использовать неквалифицированную и дешевую рабочую силу - женщин и подростков, которые могли обслуживать несколько станков одновременно. Немаловажным было также то, что в период гражданской войны 1861-1865 гг. возрос спрос на огнестрельное оружие, а нехватка квалифицированных рабочих сдерживала рост его производства. Выходом из этого положения было создание станков-автоматов. Успехи автоматизации отдельных элементов металлообрабатывающих токарных и револьверных станков позволяли надеяться на успешное решение этой проблемы, особенно если учесть, что в 40-х годах XIX в. были спроектированы и успешно применялись деревообрабатывающие автоматы (К. Виппль, 1842 г.; Т. Слоан, 1846 г.).

Первый универсальный токарный автомат был изобретен Хр. Спенсером в 1873 г. Он был конструктивно прост, главной его особенностью был кулачковый вал. X. Спенсер - автор еще нескольких более совершенных типов автоматов.

Изобретение и серийный выпуск токарных автоматов различных типов означал, что станкостроение достигло высокого уровня развития и что можно было ожидать выпуска автоматов других технологических типов металлорежущего оборудования. Таким образом, станкостроение вступало в новый этап своего развития - этап совершенствования автоматических металлорежущих станков.