Текст книги "О станках и калибрах"

Автор книги: Зигмунд Перля

сообщить о нарушении

Текущая страница: 10 (всего у книги 14 страниц)

Глава IV. ВЗАИМОЗАМЕНЯЕМОСТЬ И ТОЧНОСТЬ

Что такое взаимозаменяемость?

В 1856 году в Лондоне происходил очередной между народный съезд деятелей промышленности. Один из участников съезда поставил вопрос: нельзя ли добиться того, чтобы любая нормальная свеча № 1 всегда точно соответствовала гнезду нормального подсвечника № 1. так, чтобы ее нижний конец не нужно было ни подстругивать, ни обертывать бумагой. Конечно, в данном случае речь шла не только о свечах в подсвечниках. Этот вопрос был значительно более широк и важен. Свеча и подсвечник, о которых заботился участник съезда, просто {124} послужили наиболее показательным примером повседневного соединения двух «родственных» предметов. В нашем обиходе таких предметов множество.

Возьмем, к примеру, хотя бы мужскую сорочку и воротничок или ботинки и калоши.

В самом деле, приходилось бы тратить много времени и испытывать большие неудобства, если бы для подбора воротничка в каждом случае обмеряли шею покупателя. То же самое относится к обуви. Примерять десятки пар калош, чтобы подобрать себе одну пару, – дело хлопотное. Но мы избавлены от этой заботы: существуют определенные номера калош, которые всегда подойдут к определенному размеру ботинок.

Взаимозаменяемость бывает возможна там, где при соединении есть охватывающая часть (в наших примерах – воротничок, калоши) и охватываемая (ворот рубашки, ботинки).

Приведем еще несколько характерных примеров взаимозаменяемых изделий. Цоколь любой электролампочки, купленной где-нибудь в Австралии или в любом другом месте земного шара, всегда ввернется в любой патрон, приобретенный хотя бы в магазине «Электросбыта» в Москве. Лезвие безопасной бритвы, изготовленное в любой стране и на любой фабрике, всегда легко сядет своими тремя отверстиями на три штифта держателя и уложится в его размер.

До сих пор мы приводили для иллюстрации взаимозаменяемости так называемые стандартные изделия. Когда для широко распространенных изделий, вроде патрона и лампочки или винта и гайки, мы устанавливаем один из нескольких типов, характеризующихся определенным материалом, весом, размером, то такие изделия или детали называются стандартными. Если два стандартных изделия предназначены для соединения, то их размеры определяются таким образом, чтобы обеспечить их взаимозаменяемость.

Детали машин также могут быть изготовлены взаимозаменяемыми. Это имеет огромное значение для потребителя. Если бы, ремонтируя, автомобили и тракторы, нельзя было легко и скоро заменять износившиеся части запасными, сколько лишнего времени, труда и средств затрачивали бы городские гаражи, машинно-тракторные станции, ремонтные мастерские. А заводы, {125} изготовляя части машин взаимозаменяемыми, имеют возможность выпускать машины в массовом количестве и в короткий срок.

Взаимозаменяемость и нужды массового производства заставляли и заставляют машиностроителей непрерывно улучшать не только станки и превращать их во все более и более чудесные машины, но и средства измерения в металлообработке. Как шло это улучшение? С чего оно началось?

Пушки и снаряды

Когда шестьсот лет назад, в начале XIV века, появилось огнестрельное оружие, первые пушки стреляли шаровидными снарядами – ядрами. Вначале их обтесывали из камня, а затем, уже в конце XV века, отливали из чугуна. Заводов и фабрик тогда еще не было. Пушки и ядра изготовлялись отдельными мастерами-оружейниками. Каждый из них придавал своей продукции, пушкам, те размеры, которые ему лично казались лучшими. Ядра обтесывались или отливались по размеру дула.

Специальных, более или менее точных измерительных инструментов не было и, чтобы обеспечить ядрам нужный размер, пользовались обычно самой пушкой. Изготовленное ядро закладывали в канал ствола. Если ядро свободно входило и катилось по каналу, оно считалось годным. При таком способе измерения ядро часто оказывалось меньше нужного размера. Поэтому промежутки или зазоры между ядром и стенками канала затыкали всякими материалами. Но почти никогда не случалось, чтобы ядра одной пушки подходили для другой, особенно, если пушки изготовлялись разными мастерами. Конечно, войска очень сильно ощущали на себе вред такого «достоинства» артиллерии.

Количество огнестрельного оружия в армиях увеличивалось. Пушки и ружья, изготовленные вручную, стоили очень дорого. Правители европейских стран, не имея достаточных средств для содержания войск, обязывали каждый город готовить для себя крепостные стены, артиллерию, вооруженную охрану. В средние века города и даже отдельные организации обычно имели свои пушки. Когда начиналась война, то все население облагалось особой податью: отдельные города, села, организации, {126} а также богатые люди – дворяне, купцы – должны были поставлять государству артиллерийское снаряжение.

На определенные сборные пункты свозился этот артиллерийский «налог». Один привозил пушку, другой – ядра, третий – лафеты. И тут оказывалось, что ни ядра, ни лафеты не подходили к пушкам, и вообще все снаряжение отличалось таким разнообразием в размерах, что приходилось тут же устраивать мастерскую по сборке оружия. Все это послужило толчком к организации производства взаимозаменяемых частей пушек и ружей. Осуществить же это было невозможно: не было ни станков, ни инструмента, которые позволили бы достаточно точно изготовлять детали огнестрельного оружия.

В течение XVIII века потребность во взаимозаменяемых частях была еще не настолько велика, чтобы подвинуть технику на следующий этап своего развития. Только в начале XIX века производство взаимозаменяемых частей начало ощутительно развиваться.

Растущие армии капиталистических стран предъявляли повышенный спрос на ручное огнестрельное оружие. Потребность в ружьях исчислялась сотнями тысяч. Во время войны огромные запасы оружия быстро уничтожались. Отдельные государства загружали свою молодую металлообрабатывающую промышленность крупными военными заказами, но при этом предъявлялось требование – быстро и дешево изготовить ружья, а также обязательно добиться взаимозаменяемости одноименных деталей.

Происшествие на Тульском заводе

20 сентября 1826 года оказалось, пожалуй, самым тяжелым и хлопотным днем в многотрудной жизни механика Тульского оружейного завода Павла Дмитриевича Захавы.

Вот уже 16 лет работал он на этом заводе. Им было создано много таких станков, которых еще не знали за границей; много поработал он и над более совершенной организацией труда рабочих и всего производства. Недаром гремела в те годы слава завода, недаром и механики-иностранцы, побывавшие в то время в России, в один голос утверждали, что в западной Европе не знают таких искусных мастеров-станочников и нет там столь отличного завода. {127}

В последнюю неделю Захаве не каждую ночь приходилось поспать. Сегодня ждали на заводе посещения Николая I. Царь-жандарм узнал о том, что на Тульском заводе достигли столь высокого уровня в производстве ружей, что научились изготовлять части ружейного замка взаимозаменяемыми, а ведь еще нигде в мире не удалось этого добиться. Николай хотел и сам убедиться в достоверности этого чуда и постращать им своих высокопоставленных гостей, немецких владетельных принцев. Ведь в те времена уже было ясно, что та страна, которая овладеет искусством массового изготовления взаимозаменяемых частей огнестрельного оружия, приобретет большую силу, может скорее и полнее вооружать свои войска.

Вот почему Захаве пришлось особенно потрудиться в последние дни. Очень уж хотелось, чтоб эти надутые принцы-иностранцы узнали русскую техническую силу, да и боязно было – жестокий царь может «наградить» за конфуз по-своему. Пришлось еще раз тщательно, с пристрастием проверить все станки, всех мастеров, каждый отдельный участок работы. Хоть и уверен был в своем деле талантливый русский механик, но все же придирчиво вглядывался в детали ружейных замков, снова и снова проверял их размеры.

Николай приехал в разгар рабочего дня, а с ним увешанные орденами, звездами, лентами немецкие принцы – Карл Прусский и Филипп Гессен-Гамбургский. Заводское начальство распорядилось принести из арсенала в приемные палаты два изготовленных на заводе ружья, а из цеха – несколько только что собранных замков. От ружей отвернули замки, затем все замки разобрали на части. Одноименные части смешали в одну кучу – сколько частей в замке, столько получилось кучек одинаковых деталей.

Принцы спесиво глядели на все это с чуть заметным смешком в углах губ, переглядываясь, презрительно щурясь. Сам Николай, нет-нет, а взглянет на своих гостей и уже недоверчиво и грозно смотрит на трясущееся заводское начальство.

Спокоен Захава. Теперь, когда он руководит привычной работой, когда с ним его лучшие ученики – отличные мастера металлообработки, он уверенно распоряжается своими рабочими, знает наперед, что успех {128} обеспечен и что этот успех не подстроенный фокус, что он прочно завоеван умением и опытом туляков-оружейников. А если так, нечего волноваться, нечего и бояться вылупленных глаз царя-жандарма.

И так же, как и механик, деловито спокойны мастера-сборщики. Уверенными, точными движениями начали они сборку замков. Одна за другой прилаживались на свои места части из куч на полу. Ни разу не пришлось прикоснуться к ним напильником, подправить размеры, профиль. Еще немного времени – и «растаяли» кучи частей, снова превратились они в собранные замки. И всем видно, понятно, что части замков, принесенных в эту комнату, поменялись «адресом». Теперь многие из них попали в «чужой» замок и все же сборка прошла без единой подгонки, а вновь собранные замки действуют безотказно.

Исчезли, сбежали смешки из уголков поджатых губ обоих принцев. Снова переглянулись они, на этот раз с тревожным недоумением. Что-то промычал один из них, и услужливые придворные из свиты Николая быстро перевели Захаве процеженные сквозь зубы немецкие слова – пожелание гостя. Механик распорядился – один из сборщиков тут же ушел и вскоре принес обычную мишень для ружейной стрельбы. Ее укрепляют на дальней стене палаты.

Захава ждет. Один из принцев подходит к столу, на котором лежат вновь собранные замки, несколько минут пытливо вглядывается в них, затем по очереди берет в руки каждый замок, осматривает его, наконец, выбирает два, откладывает их в сторонку, что-то опять цедит сквозь зубы. И снова Захаве перевели немецкую речь. Механик кивнул сборщику и тот быстро приладил оба отобранных замка к двум ружьям, принесенным из арсенала, и зарядил их. Теперь ружья готовы к стрельбе.

Гость берет одно из них, прицеливается в близкую мишень, стреляет. Рядом с «яблочком» мишени появляется след от пули. Свита угодливо, одобрительно загудела. Но на лице стрелка не видно никакого удовольствия. Наоборот, оно помрачнело. Нервным движением почти вырвал он второе ружье из рук сборщика. Быстро приложил его к плечу, выстрелил – пуля разорвала мишень. Стрелок так и замер на несколько секунд с ружьем, приложенным к плечу. Затем отдал ружье. {129} На вытянувшемся лице появилась кривая улыбка; он что-то сказал по-немецки Николаю, отчего лицо царя расплылось от удовольствия.

Заводское начальство увело гостей. Захава и его помощники убрали ружья и замки. Они были довольны. Как же, ведь грозу-то, царский гнев, пронесло, да и спесивым немцам нос утерли.

В этом и заключалась вся награда, которую получили мастера-новаторы металлообработки за достижение мирового значения, за организацию производства взаимозаменяемых деталей машин. Это достижение русских оружейников предопределило весь дальнейший путь развития машиностроения, массового производства машин.

Взаимозаменяемость достигалась не подгонкой вручную всех одноименных деталей под форму и размеры одной образцовой детали. Такая работа была бы кропотливой, малопроизводительной, а достигнутая «взаимозаменяемость» ненадежной. Самое главное в успехе Захавы и его мастеров было то, что они изготовляли детали на созданных ими наиболее совершенных по тому времени станках и по калибрам – с помощью примененного ранее чем в других странах специального мерительного инструмента, обеспечивавшего строгое постоянство размеров частей замков. Благодаря этому можно было включать в производственный процесс много рабочих, не только высококвалифицированных мастеров, но и менее искусных. Только такая работа и могла привести к производству подлинно взаимозаменяемых деталей.

Царь-жандарм, занятый больше всего подавлением всего передового в России, довольно поздно узнал об огромных достижениях механиков Тульского завода. Намного раньше просочились сведения о них за границу. Уже в 1806 году в Париже была издана книга французского инженера Коти. Вот, что он писал: «...я видел на Тульском заводе, как из находившегося в приемной палате большого количества замков несколько было разобрано, части их перемешаны, а потом из этих частей вновь собраны замки; при этом все части приходились с такой точностью, будто их намеренно пригоняли одну к другой». B те времена книги печатались долго, по несколько лет, не менее долго их и писали и готовили к печати. Поэтому следует считать, что Коти писал свою {130} книгу в последнее десятилетие XVIII века и изложил в ней свои впечатления, полученные, вероятно, еще раньше – во второй половине того же столетия. Это значит, что туляки-машиностроители решили труднейшую задачу взаимозаменяемости лет на 50 раньше, чем об этом дознался царь-жандарм, в семидесятых годах XVII столетия.

Великое дело, осуществленное тульскими оружейниками, имело глубокие корни в нашей стране. Еще в 1715 году, на заре русского машиностроения, по приказу Петра I была составлена своего рода инструкция для оружейных заводов, которая гласила: «На оружейных тульских и олонецских заводах делать фузеи и пистолеты калибром против присланных от его Царского Величества медных образцов...»

А в 1761 году на Тульский же завод пришло распоряжение:

«На каждую оружейную вещь порознь мастерам иметь меры..., по которым каждый с пропорциею всякую вещь при делании приводить мог, без того вещи одна с другою во всем точного равенства не имеют...».

Вот почему уже к 1770—1780 годам можно отнести возникновение в России налаженного производства взаимозаменяемых частей ружейных замков.

И так велико было значение этого важнейшего технического новшества, что американцы постарались присвоить себе творческое первенство в достижении взаимозаменяемости в машиностроении. Они пустили в ход версию, что будто американский машиностроитель Уитней первый в 1798 году таким же способом доказал возможность производства взаимозаменяемых деталей машин. До последнего времени эта ложная версия была очень распространена, проникла она и в нашу страну.

В очень многих случаях западные историки техники, особенно американцы, пытались и пытаются таким способом отнять у нашего народа заслуженное им творческое первенство в научных и технических достижениях. Но остается фактом, что американские машиностроители несомненно узнали о достижениях тульских оружейников в то же время, что и Коти. Это значит, что Уитней, если даже он действительно чего-то добился в области взаимозаменяемости, лишь пытался повторить то, чего достигли туляки. И вся шумиха, поднятая американской {131} печатью, оказалась рекламным обманом. Но даже из американских источников известно, что по условиям заказа Уитней должен был изготовить 10 000 ружей: 4000 в первый год и 6000 – во второй. На самом же деле он в первый год изготовил лишь 500 ружей и еще семь долгих лет понадобилось ему для того, чтобы изготовить остальные 9500. Взаимозаменяемость достигалась благодаря мастерству и кропотливой работе немногих искусных рабочих, которые вручную подгоняли все одноименные части под размер образцовой детали. Это было очень похоже на долго и трудно выполнявшийся фокус, трюк. Это также значит, что Уитней повторил не тульский способ производства взаимозаменяемых частей, а лишь его результат, но сделал это за огромный срок и с большим трудом.

А Тульский завод уже в начале Отечественной войны 1812 года производил те же 10 000 ружей в один только месяц. Это значит, что производительность труда на Тульском заводе оказалась почти в 100 раз больше.

Образцовые медные меры Петра I и тульские «на каждую... вещь, порознь... меры...» и послужили родоначальниками калибров, тех мерительных инструментов, которые легли в основу закона машиностроения и нашего времени – взаимозаменяемости деталей машин. Первые такие инструменты – нормальные калибры – появились уже через 12 лет после того, как стало известно достижение Тульского завода, около 1838 года, и довольно быстро распространились по всему миру.

* * *

В самом начале производства калибров получилось нечто вроде «чуда».

Мастера-станочники замечали, что обыкновенный калибр-пробка, нормально изготовленный по калибру-кольцу (об этих калибрах рассказано в следующей главе), через некоторое время «отказывался» входить в это самое кольцо. Когда обмеряли пробку, оказывалось, что она «пополнела» на какую-то, пусть очень малую, долю миллиметра. Выяснилось, что после закалки в металле калибра остаются так называемые внутренние напряжения, от которых он сжимается. Когда эти напряжения с течением времени исчезают, металл как бы разжимается, калибр «растет», и его приходится вновь шлифовать, {132} чтобы привести к правильным размерам. Пришлось изменить порядок изготовления калибров: после закалки их сдавали на несколько месяцев на склад. Калибры там вылеживались и при этом «росли» или «старели». Когда процесс старения прекращался, калибры «доводились» до окончательного размера.

Процесс изменения размеров при вылеживании длился четыре-шесть месяцев, и это было неудобно для заводов.

Когда автор этой книги работал в Туле, местный мастер, глубокий старик из числа ветеранов металлообработки, рассказал следующую историю.

В середине XIX столетия один из мастеров Тульского оружейного завода нашел способ в течение одних суток приводить калибры в состояние, годное для окончательной доводки.

Получив партию закаленных калибров, он уносил их домой, а на другой день возвращал, и после доводки эти калибры не «росли». Мастер долго скрывал секрет, стремясь «заработать» на своем открытии. «Гости», заглядывавшие к нему по вечерам, чтобы застать врасплох, обычно наблюдали мирную картину: на столе кипел самовар, семья мастера ужинала, калибров и не было видно.

Секрет же оказался именно в кипящем самоваре. Там, на дне, вокруг трубы лежали стальные пробки, кольца, скобы. Кипячение уничтожало внутренние напряжения в металле. С тех пор туляки-металлисты начали применять кипячение для искусственного старения калибров во всех случаях, когда необходимо было обеспечить неизменяемость размеров после тепловой обработки.

Эта история показалась интересной, но не очень уж достоверной – ведь никаких имен и дат не было названо, никакими документами она не была подтверждена. Но в последнее время отечественные исследования в области истории техники подтвердили, что именно тульские мастера первые открыли законы искусственного старения металла.

Впоследствии ученые с помощью точных исследований обосновали приемы тульских мастеров.

Было установлено, что при искусственном старении необходимо кипятить калибры около 10 часов при температуре в 110°.

{133}

Глава V. ИНСТРУМЕНТЫ ТОЧНОСТИ

Кольцо и пробка

Устройство нормальных калибров не заключало в себе ничего сложного или особо нового. Просто было предложено измерять цилиндрические детали постоянными для данного наружного или внутреннего размера калибрами. Для измерения диаметров отверстий таким калибром служит очень точно изготовленный валик, так называемая пробка, а для измерения внешних диаметров – кольцо или скоба. Само собой разумеется, что для каждого размера должен быть изготовлен набор этих инструментов, которые и были названы нормальными калибрами. На каждом из них, будь то кольцо, пробка или скоба, отмечался номинальный размер, для определения которого данный калибр предназначен. Изготовляя калибры, старались как можно точнее подогнать их под этот размер.

Нормальные калибры явились значительным шагом вперед в области техники измерений в машиностроении. До этого на большинстве заводов для изготовления данного изделия или детали определенной машины служил шаблон – образцовое изделие. Это вызывало необходимость в большом количестве шаблонов. Пользование так называемым универсальным мерительным инструментом (о котором речь будет впереди) для достижения необходимой точности требовало высокой квалификации рабочего, много времени и обходилось дорого. Нормальный калибр, общий для имеющих один и тот же размер деталей всех машин и не требовавший высокой квалификации рабочего, значительно удешевил, ускорил производство и вместе с тем обеспечил более высокую точность изготовления деталей.

Но промышленность последней четверти прошлого века уже не могла удовлетворяться этими достижениями.

Если изготовить одну деталь – валик – по нормальному калибру-кольцу – и вторую деталь с внутренним цилиндрическим отверстием по нормальному калибру-пробке, то первая деталь должна войти в отверстие второй плотно, но без усилия рабочего. Понятно, что для обеспечения этого условия валик должен входить в кольцо-калибр не менее плотно. Насколько можно {134} допустить отступление от идеальной плотности, должен решить сам рабочий при изготовлении и контролер при приемке деталей. И тот и другой для такого решения располагают только собственным опытом и чутьем. В результате и здесь вставал вопрос о необходимости более или менее высокой квалификации рабочих и о повышении темпов производства, об экономической выгодности нормальных калибров. Кроме того, были неизбежны нескончаемые споры между рабочим и приемщиком, и во многих случаях без специальных измерений трудно было решить, кто прав.

Так как у каждого работника на производстве могла быть своя собственная (субъективная) оценка ощущения «болтания» валика в кольце, то определенного мерила «дозволенного» и «недозволенного» отклонения от размера нормальный калибр не давал. Поэтому нормальные калибры для конца XIX и начала XX веков уже не могли служить мерительной базой производства взаимозаменяемых деталей машин. Экономически их применение по указанным уже причинам было невыгодно.

Выход из трудного положения был найден в применении предельных калибров, с введением которых связан резкий скачок вперед в развитии и повсеместном распространении производства взаимозаменяемых частей машин. Так как предельные калибры являются детищем «теории допусков», рассмотрим, что она собой представляет.