Измерительная техника в машиностроении

Для создания совершенных в техническом отношении механизмов в процессе промышленной революции XVIII-XIX вв. возникла необходимость повысить точность обработки деталей, ибо в противном случае сложный, многосочлененный механизм успешно работать не может. Повысить точность изготовления деталей можно было только с помощью усовершенствованных методов измерений. До промышленной революции точность проверяли произвольно, единицами измерения служили такие «эталоны», как части человеческого тела (локоть, ступня и т. п.).

Стремясь стабилизировать государственные меры, за основу стали принимать фиксированные эталоны. Так, в Англии мерой длины в XIV в. стал один дюйм, равный размеру трех ячменных зерен «сухих и круглых». В России в качестве меры длины употребляли «пядь» - расстояние от конца большого пальца до конца малого при наиболее возможном их разведении; «локоть» - длина от локтя до переднего сустава среднего пальца; «маховая сажень» - расстояние между концами пальцев раскинутых рук и «косая сажень» - расстояние от пятки левой ноги до конца пальцев правой поднятой руки.

Огромную роль в развитии техники измерения сыграло принятие метрической системы мер (см. главу XIX), введенной в практику машиностроения в XIX в.

В период промышленной революции вопросы измерений в технике еще не были решены. Поэтому возникали серьезные трудности в создании новых машин. Стремясь решить эти противоречия, Г. Модели изготовил измерительную машину, которая могла измерять с точностью до одной тысячной дюйма. Правда, такая точность в то время и не требовалась. Обычно точность измерений равнялась десятым долям миллиметра. Так, например, точность изготовления продукции на Тульском оружейном заводе равнялась в начале XIX в. V8 линии (около 0,3 мм). Расточный станок Вилкинсона (1775 г.) обеспечивал точность 1,5 мм при большом (около метра) диаметре.

Для измерений в тот период пользовались главным образом калибрами и простейшими мерителями, причем имеющиеся данные свидетельствуют, что калибры еще не были предельными. Например, проверка стволов на Тульском оружейном заводе осуществлялась «колтышкою» (калибром), имевшим точно диаметр дульной части ствола [7]. В инструкции, данной генералом Брюсом, отмечается: «Да того же мая в 24 день его Царское величество указал на оружейных Тульских и Олонецких заводах делать драгунские драбантские фузеи и пистолеты калибром против присланных его от Царского величества медных образцов, чтобы те медные образцы в стволы входили до самого хвостового шурупа» [8]. Следовательно, ограничение размеров было недостаточно жесткое: не контролировался максимальный предел ствола, он определялся точностью использовавшегося оборудования.

Совершенствование средств и методов измерений в XVIII-XIX вв., наряду с созданием универсальных металлорежущих станков различных технологических типов означало, что производство отдельных деталей и изделий в ограниченных количествах переставало быть проблемой. Однако растущий масштаб использования машин ставил новую проблему - необходимость организации выпуска машин во все увеличивающихся количествах, что требовало формирования отдельной отрасли промышленности.

ОБРАЗОВАНИЕ МАШИНОСТРОЕНИЯ КАК ОТРАСЛИ КРУПНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Уровень технической оснащенности промышленности в Англии в тот период значительно превысил уровень других стран, именно тогда она была «мастерской мира», но несовершенство форм организации ее промышленности тормозило дальнейшее развитие. Несмотря на то, что в английском машиностроении были некоторые элементы стандартизации и унификации отдельных видов деталей (стандартные резьбы и т. п.) и там имелись примеры организации выпуска промышленной продукции в массовом количестве (корабельные блоки), новая форма - фабрика - не имела еще широкого распространения.

Для дальнейшего прогресса необходимо было перестраивать все производство, прежде всего связанное с выпуском промышленного оборудования. Успешное освоение машин в ткацком производстве и других отраслях промышленности, развитие металлообрабатывающих станков положили начало формированию новой отрасли промышленности - машиностроения.

Этот процесс протекал достаточно быстро. Для иллюстрации приведем тот факт, что С. Вентам, знакомясь с мануфактурами Англии в 1791 г., отмечал малое распространение машин, причем здесь не использовались даже те механизмы, которые в других странах применялись широко, например, механические пилы для распиловки леса [9]. Столь же малым было использование машин и в других странах. В таких условиях говорить о машиностроении вообще невозможно, так как машины выпускались единицами.

Распространение паровых и текстильных машин и связанное с этим увеличение количества железа и других металлов в производстве машин приводили к расширению сферы применения металлорежущих станков. Однако выпуск металлических машин и необходимость выдерживать определенную точность изготовления отдельных деталей вступало в конфликт с ручными методами производства. К. Маркс отмечал, что «эти орудия производятся по большей части все еще ремесленным или мануфактурным способом и затем укрепляются на теле рабочей машины, произведенном машинным способом» (Маркс К., Энгельс Ф. Соч., т. 23, с. 384). Только примерно с 1850 г. все большая доля орудий для рабочей машины начинает изготавливаться в Англии машинным способом. Это свидетельствует о том, что в первой половине XIX в. машины еще не могли конкурировать по точности и качеству обработки с ручным трудом, хотя здесь, вероятно, имел место еще и недостаток точных станков. Подчеркивая факт изменения роли железа в производстве и вытеснения им других материалов, К. Маркс отмечал: «...огромные массы железа, которые приходилось теперь ковать, сваривать, резать, сверлить и формовать... требовали циклопических машин, создать которые мануфактурное машиностроение было не в силах» (Маркс К., Энгельс Ф. Соч., т. 23, с. 390).

К середине XIX в. машиностроение начинает складываться в особую отрасль промышленности. В промышленно развитых странах, прежде всего в Англии, происходят сдвиги в укладе хозяйства и, следовательно, в структуре занятости рабочей силы. В 1850 г. в Англии в сельскохозяйственном производстве было занято только 26% мужского самодеятельного населения (старше 20 лет). В 1860 г. в машиностроении США (третьей по промышленному развитию державы в мире в тот период) было занято 41 223 человека, а выпущенная продукция оценивалась суммой в 52 010 376 долларов. В тот период машиностроение США выпускало разнообразное оборудование для хлопчатобумажного производства, лесоразработок, производства одежды и обуви, мукомольной и пищевой промышленности, сталелитейной промышленности, общего машиностроения, производства экипажей, телег, вагонов и т. п. [11].

Необходимым условием прогресса промышленности на этапе формировавшегося дифференцированного машиностроения было внедрение системы полной взаимозаменяемости деталей, что экономически эффективно только при массовом производстве основных промышленных изделий.

Ранние сведения об использовании принципа взаимозаменяемости при производстве промышленной продукции относятся к 1710 г. (Швеция) и 1717 г. (попытки организовать производство огнестрельного оружия с использованием этого принципа во Франции).

В начале XVIII в. в России на Тульском оружейном заводе выпускались ружья с взаимозаменяемыми частями. Согласно приказу главной артиллерии и фортификации от 1732 г., части ружей должны быть взаимозаменяемы. «Чтобы в полку от одной фузеи каждую часть можно было употребить к другим фузеям'. И когда из помянутых фузей равной пропорции несколько при полку будет запасных, то поврежденное ружье, что от ружья потерянное, может скорее исправлено быть» [10].

Широкое использование станков и механизмов, созданных русскими механиками Сидоровым, Батищевым, Захавой и другими, в конце концов обеспечило такой уровень производства, в результате которого оказалось возможным изготовление взаимозаменяемых частей ружей. По словам Гамеля, приехавший 20 сентября 1826 г. на завод царь Николай I «на опыте удостоверился в том, действительно ли в Туле ныне достигнуто совершенное единообразие частей замка, которое в других государствах всегда почиталось невозможным» [8].

В конце XVIII в. в Англии Брюнель приступает к машинному производству карабельных блоков со взаимозаменяемыми частями. В 1785 г. француз Ле Бланк организует выпуск огнестрельного оружия на принципе взаимозаменяемости. В то время многие из этих работ не получили логического завершения и распространения, но метод Ле Бланка, как представляется, оказал значительное влияние на техническое развитие США. В 1785 г. Т. Джефферсон (бывший тогда послом во Франции), посетил Ле Бланка и ознакомился с оружием и принципом его производства. Джефферсон сообщил о работах Ле Бланка в Америку. Можно предположить, что позднейшие американские работы в этом направлении базировались на его опыте.

В США в этот период образовался большой рынок для сбыта огнестрельного оружия. Поставки из Европы были ограничены из-за ведущихся там войн. Кроме того, ремонт европейского оружия затруднялся из-за отсутствия в США необходимых мастерских. Известно, что даже в Англии в 1811 г. в правительственных арсеналах находилось около 200 тыс. неисправных мушкетов из-за недостатка механиков для их ремонта. В США эта проблема стояла еще более остро.

В 1798 г. американец Эли Уитни получил от правительства контракт на поставку 12 тысяч мушкетов, причем первые четыре тысячи он обязался поставить в первый год. Учитывая, что Уитни до этого не изготовлял оружие и что объем поставок должен был быть столь большим, можно предположить, что Уитни знал о работах Ле Бланка. Этот контракт Уитни смог выполнить позже установленного срока (за 8 лет), однако приобрел большой опыт и в 1812 г. взял еще один заказ (на 30 тысяч мушкетов), который выполнил.

Система полной взаимозаменяемости не снижала стоимости единицы оружия (хотя сборка его обходилась дешево) из-за возросших требований к точности производства отдельных деталей. Однако такой тип оружия оказался очень удобным и выгодным из-за простоты ремонта, поэтому правительство США в 1815 г. ввело в производство систему полной взаимозаменяемости одного типа огнестрельного оружия. В 1824 г. проводилась проверка 100 однотипных ружей разных заводов, причем была установлена полная их идентичность. Позже на аналогичных принципах организуется производство пистолетов Кольта, Смита и Вессона, причем первый привлекает к работе в 1848 г. Элишу Рута для проектирования специального оборудования. На заводах Кольта установили 1400 станков, многие из которых были спроектированы Рутом.

В целом к последней четверти XIX в. уровень технической оснащенности и форм организации промышленного производства (фабрика) отличались от того положения, которое существовало в начале XIX в. Можно сказать, что машиностроение было в состоянии создавать уникальные по своим размерам или по своим точностным характеристикам изделия и производить в массовом количестве такие относительно сложные системы, как огнестрельное оружие. Происходило постепенное накопление опыта организации выпуска машин на основе полной взаимозаменяемости деталей, но этот метод производства еще не стал главенствующим. Дальнейшее развитие массового производства сдерживалось недостаточно высоким уровнем потребности в продукции машиностроения.