Станок - Machine tool

Металла токарный является примером станка

Станок представляет собой станок для обработки или обработок металлов или других жестких материалов, как правило, резкой, расточные , шлифовальные , стрижки, или других форм деформаций. В станках используется какой-то инструмент, который выполняет резку или формовку. Все станки имеют некоторые средства ограничения обрабатываемой детали и обеспечивают управляемое движение частей станка. Таким образом, относительное движение между заготовкой и режущим инструментом (которое называется траекторией инструмента ) контролируется или ограничивается станком, по крайней мере, до некоторой степени, а не полностью « от руки » или « от руки ». Это металлорежущий станок с механическим приводом, который помогает управлять необходимым относительным движением режущего инструмента и обрабатываемого материала, которое изменяет размер и форму обрабатываемого материала.

Точное определение термина « станок» варьируется среди пользователей, как обсуждается ниже . Хотя все станки - это «машины, которые помогают людям делать вещи», не все фабричные станки являются станками.

Сегодня станки, как правило, приводятся в действие не человеческими мышцами (например, электрически, гидравлически или через линейный вал ), которые используются для изготовления деталей (компонентов) различными способами, включая резку или некоторые другие виды деформации.

Благодаря присущей им точности станки позволяют экономично производить взаимозаменяемые детали .

Номенклатура и ключевые понятия, взаимосвязанные

Многие историки техники считают, что настоящие станки родились, когда траектория инструмента сначала каким-то образом, по крайней мере в некоторой степени, стала направляться самой машиной, так что прямое, от руки человеческое руководство траекторией инструмента (руками, ногами или ртом) больше не было единственным руководством, используемым в процессе резки или формовки. С этой точки зрения определения термин, появившийся в то время, когда все инструменты до этого были ручными инструментами , просто обозначал «инструменты, которые были машинами, а не ручными инструментами». Ранние токарные , те до конца средневекового периода и современные деревообрабатывающие станки и колесо гончарного могут или не подпадают под этим определением, в зависимости от того, как один рассматривает гриф шпиндель самого; но самые ранние исторические записи о токарном станке с прямым механическим управлением траекторией режущего инструмента относятся к токарно-винторезному станку, датируемому примерно 1483 годом. Этот токарный станок «производил резьбу из дерева и использовал настоящую составную опору скольжения».

Механическое управление траекторией инструмента выросло из различных основных концепций:

  • Во-первых, это сама концепция шпинделя , которая ограничивает движение заготовки или инструмента вращением вокруг фиксированной оси . Эта древняя концепция возникла еще до станков как таковых; первые токарные станки и гончарные круги включали его в заготовку, но движение самого инструмента на этих станках было полностью произвольным.
  • Машинный суппорт ( инструментальный путь ), который имеет множество форм, таких как направляющие в форме ласточкина хвоста, направляющие коробки или направляющие цилиндрических колонн. Направляющие станка линейно ограничивают движение инструмента или заготовки . Если добавлен стоп, длина линии также может точно контролироваться. (Машинные направляющие - это, по сути, подмножество линейных подшипников , хотя язык, используемый для классификации этих различных машинных элементов, включает коннотативные границы; некоторые пользователи в некоторых контекстах будут различать элементы так, как другие не могут.)
  • Трассировка, которая включает в себя отслеживание контуров модели или шаблона и передачу результирующего движения на траекторию инструмента.
  • Операция кулачка , которая в принципе связана с отслеживанием, но может быть на один или два шага удалена от отслеживаемого элемента, совпадающего с окончательной формой воспроизведенного элемента. Например, несколько кулачков, ни один из которых напрямую не соответствует желаемой выходной форме, могут активировать сложную траекторию инструмента путем создания векторов компонентов, которые складываются в чистую траекторию инструмента.
  • Сила Ван дер Ваальса между подобными материалами высока; При изготовлении квадратных пластин вручную изготавливаются только квадратные плоские эталонные компоненты для станкостроения с точностью до миллионных долей дюйма, но почти без разнообразия. Процесс копирования элементов позволяет передавать плоскостность и перпендикулярность узла поперечных суппортов фрезерного станка или округлость, отсутствие конуса и перпендикулярность двух осей токарного станка обрабатываемой детали с точностью и точностью выше, чем тысячная дюйма, не такая тонкая, как миллионная дюйма. По мере того, как посадка между скользящими частями готового изделия, станка или станка приближается к этой критической тысячной доли дюйма, смазка и капиллярное действие объединяются, чтобы не допустить сваривания металлов вместе с помощью силы Ван-дер-Ваальса, продлевая срок службы смазываемых скользящих частей за счет фактор от тысяч к миллионам; катастрофа, связанная с истощением масла в обычном автомобильном двигателе, является доступной демонстрацией необходимости, и в аэрокосмическом дизайне используется аналогичная конструкция вместе с твердыми смазочными материалами для предотвращения разрушения сопрягаемых поверхностей сваркой Ван-дер-Ваальс. Учитывая модуль упругости металлов, диапазон допусков посадки около одной тысячной дюйма коррелирует с соответствующим диапазоном ограничений между, с одной стороны, неразъемной сборкой двух сопряженных деталей, а с другой - свободной скользящей посадкой тех же двух. части.

Абстрактно программируемое управление траекторией инструмента началось с механических решений, таких как кулачки для музыкальных ящиков и жаккардовые ткацкие станки . Конвергенция программируемого механического управления с контролем траектории инструмента станка было задержано много десятилетий, отчасти потому , что программируемые методы контроля музыкальных шкатулок и ткацких станков не хватало жесткости для траекторий станков. Позже были добавлены электромеханические решения (например, сервоприводы ), а вскоре и электронные решения (включая компьютеры ), что привело к числовому контролю и числовому контролю на компьютере .

При рассмотрении разницы между произвольными траекториями инструмента и траекториями, ограниченными станком, концепции точности и прецизионности , эффективности и производительности становятся важными для понимания того, почему вариант, ограниченный станком, повышает ценность .

«Производство» с добавлением материи, сохранением материи и вычитанием материи может происходить шестнадцатью способами: во-первых, работу можно держать либо в руке, либо в зажиме; во-вторых, инструмент можно держать либо в руке, либо в зажиме; в-третьих, энергия может исходить либо от руки (-ей), держащей инструмент и / или работу, либо от какого-либо внешнего источника, включая, например, педаль для ног того же рабочего, или двигатель, без ограничений; и, наконец, управление может исходить либо от руки (-ей), держащей инструмент и / или работу, либо от какого-либо другого источника, включая числовое программное управление. С двумя вариантами выбора для каждого из четырех параметров, типы перечислены в шестнадцать типов производства, где добавка материи может означать рисование на холсте так же легко, как это может означать 3D-печать под управлением компьютера, сохранение материи может означать ковку на угольном огне. так же легко, как штамповка номерных знаков, и вычитание материи может означать небрежное вырезание острия карандаша с такой же легкостью, как и точное шлифование окончательной формы нанесенной лазером лопатки турбины.

Люди обычно весьма талантливы в своих движениях от руки; Рисунки, картины и скульптуры таких художников, как Микеланджело или Леонардо да Винчи , а также бесчисленного множества других талантливых людей, показывают, что человеческая траектория от руки имеет большой потенциал. Значение , что станкостроение добавлено в эти человеческие таланты в области жесткости (сдерживающей траекторию , несмотря на тысячи ньютонов ( фунты ) от силы борьбы с ограничением), точности и точности , эффективности и производительности . С помощью станка можно ограничить траектории инструмента, которые не могут ограничить никакие человеческие мышцы; и траектории, которые технически возможны с помощью методов от руки, но для их выполнения потребуются огромное количество времени и навыков, вместо этого могут выполняться быстро и легко даже людьми с небольшим талантом от руки (потому что машина позаботится об этом). Последний аспект станков часто упоминается историками технологий как «встраивание навыка в инструмент», в отличие от навыка, ограничивающего траекторию инструмента, который присущ человеку, который владеет инструментом. Например, физически возможно изготавливать взаимозаменяемые винты, болты и гайки полностью с произвольными траекториями инструмента. Но экономически целесообразно делать их только на станках.

В 1930-х годах Национальное бюро экономических исследований США (NBER) ссылалось на определение станка как «любого станка, работающего не от руки, но и для работы с металлом».

В самом узком разговорном смысле этот термин относится только к станкам, которые выполняют резку металла, другими словами, ко многим видам [традиционной] механической обработки и шлифования . Эти процессы представляют собой тип деформации, при которой образуется стружка . Однако экономисты используют несколько более широкий смысл, который также включает деформации металла других типов, которые придают металлу форму без отрезания стружки, например прокатка, штамповка штампами , резка, обжимка , клепка и другие. Таким образом, прессы обычно входят в экономическое определение станков. Например, это широта определения, используемого Максом Холландом в его истории Burgmaster и Houdaille , которая также является историей станкостроительной промышленности в целом с 1940-х по 1980-е годы; он отражал смысл термина, используемого самой Houdaille и другими фирмами в отрасли. Во многих отчетах об экспорте и импорте станков и аналогичных экономических темах используется это более широкое определение.

Разговорный смысл, подразумевающий [обычную] резку металла, также устаревает из-за изменения технологий на протяжении десятилетий. Многие недавно разработанные процессы, обозначенные как «механическая обработка», такие как электроэрозионная обработка , электрохимическая обработка , электронно-лучевая обработка , фотохимическая обработка и ультразвуковая обработка , или даже плазменная резка и гидроабразивная резка , часто выполняются машинами, которые наиболее логично называется станками. Кроме того, некоторые из недавно разработанных процессов аддитивного производства , которые связаны не с вырезанием материала, а с его добавлением, выполняются машинами, которые в некоторых случаях могут быть названы станками. Фактически, производители станков уже разрабатывают станки, которые включают в себя как субтрактивное, так и аддитивное производство в одном рабочем диапазоне, и в настоящее время проводится модернизация существующих станков.

В естественном языке термины используются по-разному, с тонкими коннотативными границами. Многие выступающие сопротивляются использованию термина «станок» для обозначения деревообрабатывающего оборудования (столярные изделия , настольные пилы, фрезерные станции и т. Д.), Но трудно поддерживать какую-либо истинную логическую разделительную линию, и поэтому многие выступающие принимают широкое определение. Обычно машинисты называют свои станки просто «машинами». Обычно их охватывает массовое существительное «машины», но иногда оно используется для обозначения только тех машин, которые исключаются из определения «станки». Вот почему машины на пищевом предприятии, такие как конвейеры, миксеры, сосуды, делители и т. Д., Могут быть обозначены как «машины», в то время как машины в цехе инструментов и штампов на заводе вместо этого называются «станками». в отличие.

Что касается приведенного выше определения NBER 1930-х годов, можно утверждать, что его специфика для металла устарела, поскольку сегодня довольно распространено, что отдельные токарные станки, фрезерные станки и обрабатывающие центры (определенно, станки) работают исключительно на резке пластмасс на протяжении всей своей работы. срок службы. Таким образом, приведенное выше определение NBER можно было бы расширить, чтобы сказать, «в котором используется инструмент для работы с металлом или другими материалами высокой твердости ». И его специфика для «работы не вручную» также проблематична, поскольку станки могут приводиться в движение людьми, если они правильно настроены, например, с педалью (для токарного станка ) или ручным рычагом (для формирователя ). Формовочные машины с ручным приводом - это "то же самое", что и формовщики с электродвигателями, за исключением меньшего размера ", и привести в действие микротокарный станок с ременным шкивом с ручным приводом вместо электродвигателя тривиально . Таким образом, можно задаться вопросом, действительно ли источник энергии является ключевым отличительным понятием; но с точки зрения экономики определение NBER имело смысл, потому что большая часть коммерческой ценности существования станков достигается за счет тех, которые работают от электричества, гидравлики и так далее. Таковы капризы естественного языка и контролируемой лексики , и то и другое имеет свое место в деловом мире.

История

Предшественниками станков были луковые 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. Но только в период позднего Средневековья и эпохи Просвещения современная концепция станка - класса машин, используемых в качестве инструментов при изготовлении металлических деталей и включающих управляемую станком траекторию движения инструмента - начала развиваться. Часовые мастера средневековья и люди эпохи Возрождения, такие как Леонардо да Винчи, помогли расширить технологическую среду людей до предпосылок для промышленных станков. В XVIII и XIX веках и даже во многих случаях в XX веке строителями станков, как правило, были те же люди, которые затем использовали их для производства конечной продукции (промышленных товаров). Однако из этих корней также выросла отрасль производителей станков в том виде, в каком мы их сегодня определяем, то есть людей, которые специализируются на производстве станков для продажи другим.

Историки станков часто сосредотачиваются на нескольких основных отраслях, которые больше всего стимулировали развитие станков. В порядке исторического возникновения это было огнестрельное оружие (стрелковое оружие и артиллерия ); часы ; текстильное оборудование; паровые двигатели ( стационарные , морские , железнодорожные и другие ) (история о том, как потребность Ватта в точном цилиндре подтолкнула бурильную машину Бултона, обсуждается Роу ); швейные машины ; велосипеды ; автомобили ; и самолет . В этот список можно включить и другие, но они, как правило, связаны с уже перечисленными первопричинами. Например, подшипники качения представляют собой отдельную отрасль, но основными движущими силами развития этой отрасли были уже перечисленные транспортные средства - поезда, велосипеды, автомобили и самолеты; и другие отрасли, такие как тракторы, сельскохозяйственные орудия и резервуары, в значительной степени заимствовали у тех же основных отраслей.

Станки удовлетворяли потребности, возникшие в текстильном оборудовании во время промышленной революции в Англии в середине-конце 1700-х годов. До этого времени машины делали в основном из дерева, часто с зубчатыми колесами и валами. Увеличение механизации потребовало большего количества металлических деталей, которые обычно делались из чугуна или кованого железа . Чугун можно было отливать в формы для изготовления более крупных деталей, таких как цилиндры двигателя и шестерни, но с ним было трудно работать напильником, и его нельзя было забить молотком. Раскаленное кованое железо можно было формовать. Из кованого железа комнатной температуры обрабатывали напильником и долотом, из него можно было делать шестерни и другие сложные детали; однако ручной работе не хватало точности, и это был медленный и дорогостоящий процесс.

Джеймс Ватт не смог получить точно расточенный цилиндр для своего первого парового двигателя, пытаясь в течение нескольких лет, пока Джон Уилкинсон не изобрел подходящую расточную машину в 1774 году, растачивая первый коммерческий двигатель Boulton & Watt в 1776 году.

Повышение точности станков можно проследить до Генри Модслея и усовершенствовать Джозеф Уитворс . То, что Модслей наладил производство и использование эталонных калибров в своем магазине (Maudslay & Field), расположенном на Вестминстер-роуд к югу от Темзы в Лондоне около 1809 года, было засвидетельствовано Джеймсом Нэсмитом, нанятым Модсли в 1829 году, и Нэсмит задокументировал их использование в его автобиографии.

Процесс, с помощью которого были изготовлены эталонные калибры, восходит к древности, но в мастерской Maudslay был усовершенствован до беспрецедентной степени. Процесс начинается с трех квадратных пластин, каждая из которых имеет идентификацию (например, 1,2 и 3). Первый шаг - протереть пластины 1 и 2 вместе с маркировочной средой (сегодня это называется воронением), чтобы выявить выступы, которые нужно удалить вручную соскабливанием стальным скребком до тех пор, пока не исчезнут неровности. Это не приведет к созданию истинных плоских поверхностей, а будет иметь вогнутую-вогнутую и выпукло-выпуклую посадку по принципу «шарик и гнездо», поскольку эта механическая посадка, как две идеальные плоскости, может скользить друг по другу и не обнаруживать выступов. Растирание и маркировка повторяются после поворота 2 относительно 1 на 90 градусов для устранения вогнуто-выпуклой кривизны «картофельные чипсы». Затем пластина номер 3 сравнивается и соскабливается, чтобы соответствовать пластине номер 1 в тех же двух испытаниях. Таким образом, номера 2 и 3 будут идентичны. Следующие пластины номер 2 и 3 будут сравниваться друг с другом, чтобы определить, какое условие существует, либо обе пластины были «шарами», или «гнездами», или «фишками», либо комбинацией. Затем они будут соскабливаться до тех пор, пока не исчезнут выступы, а затем сравниваться с пластиной № 1. Повторение этого процесса сравнения и соскабливания трех пластин может привести к получению плоских поверхностей с точностью до миллионных долей дюйма (толщина маркировочного материала).

Традиционный метод изготовления измерителей поверхности использовал абразивный порошок, протирающий между пластинами для удаления выступов, но именно Уитворт внес свой вклад в усовершенствование замены шлифовки ручным соскабливанием. Где-то после 1825 года Уитворт перешел на работу в Модсли, и именно там Уитворт усовершенствовал ручное соскабливание эталонных измерителей плоскости поверхности. В своем докладе, представленном Британской ассоциации развития науки в Глазго в 1840 году, Уитворт указал на неотъемлемую погрешность шлифования из-за отсутствия контроля и, следовательно, неравномерного распределения абразивного материала между пластинами, что привело бы к неравномерному удалению материала с пластин. тарелки.

С созданием эталонных плоскостей такой высокой точности, все критические компоненты станков (например, направляющие поверхности, такие как машинные пути) можно затем сравнить с ними и соскрести с желаемой точностью. Первые станки, выставленные на продажу (т. Е. Имеющиеся в продаже), были построены Мэтью Мюрреем в Англии около 1800 года. Другие, такие как Генри Модсли , Джеймс Нэсмит и Джозеф Уитворт , вскоре пошли по пути расширения своего предпринимательства за счет производимых конечных продуктов и слесарь работает в сфере строительных станков на продажу.

Фрезерный станок Эли Уитни , около 1818 г.

Важные ранние станки включали токарный станок с суппортом, токарно-винторезный станок , токарно- револьверный станок , фрезерный станок , токарный станок для отслеживания рисунка, формирователь и строгальный станок по металлу , которые использовались до 1840 года. взаимозаменяемые части наконец-то были реализованы. Важным ранним примером того, что сейчас считается само собой разумеющимся, была стандартизация винтовых креплений, таких как гайки и болты. Примерно до начала 19 века они использовались парами, и даже винты одного и того же механизма, как правило, не были взаимозаменяемыми. Были разработаны методы, позволяющие нарезать резьбу винта с большей точностью, чем у подающего винта в используемом токарном станке. Это привело к появлению стандартов длины стержней 19 и начала 20 веков.

Американское производство станков сыграло решающую роль в победе союзников во Второй мировой войне. Производство станков в США во время войны утроилось. Ни одна война не была более индустриализированной, чем Вторая мировая война, и было написано, что в войне выиграли столько же механических мастерских, сколько и пулеметы.

Производство станков сосредоточено примерно в 10 странах мира: Китае, Японии, Германии, Италии, Южной Корее, Тайване, Швейцарии, США, Австрии, Испании и некоторых других. Инновации в станкостроении продолжаются в нескольких государственных и частных исследовательских центрах по всему миру.

Источники питания привода

«Все токарные операции на станках для хлопчатобумажных тканей, построенных г-ном Слейтером, выполнялись ручными долотами или инструментами на токарных станках, вращаемых кривошипами с ручным приводом». Дэвид Уилкинсон

Станки могут получать питание от различных источников. В прошлом использовалась энергия человека и животных (с помощью кривошипов , педалей , беговых дорожек или колес ), как и энергия воды (с помощью водяного колеса ); однако после разработки паровых двигателей высокого давления в середине 19 века на заводах все чаще использовалась энергия пара. Заводы также использовали гидравлическую и пневматическую энергию. Многие небольшие мастерские продолжали использовать воду, энергию человека и животных до электрификации после 1900 года.

Сегодня большинство станков работают от электричества; Иногда используется гидравлический и пневматический привод, но это случается редко.

Автоматическое управление

См. Также: История числового программного управления.

Станками можно управлять вручную или в автоматическом режиме. Ранние машины использовали маховики для стабилизации своего движения и имели сложную систему шестерен и рычагов для управления машиной и обрабатываемой деталью. Вскоре после Второй мировой войны был разработан станок с числовым программным управлением (ЧПУ). В станках с ЧПУ для управления их движением использовалась серия чисел, перфорированных на бумажной ленте или перфокартах . В 1960-х годах были добавлены компьютеры, чтобы придать процессу еще большую гибкость. Такие машины стали известны как станки с числовым программным управлением (ЧПУ) . Станки с ЧПУ и ЧПУ могут точно повторять последовательности снова и снова и могут производить гораздо более сложные детали, чем даже самые опытные операторы инструмента.

Вскоре машины могли автоматически менять конкретные используемые режущие и формовочные инструменты. Например, сверлильный станок может содержать магазин с множеством сверл для сверления отверстий различных размеров. Раньше операторам станков обычно приходилось вручную менять долото или перемещать заготовку на другую станцию ​​для выполнения этих различных операций. Следующим логическим шагом было объединение нескольких различных станков вместе под управлением компьютера. Они известны как обрабатывающие центры и кардинально изменили способ изготовления деталей.

Примеры

Примеры станков:

При изготовлении или формовании деталей используются несколько методов удаления нежелательного металла. Среди них:

Другие методы используются для добавления желаемого материала. Устройства, которые производят компоненты путем выборочного добавления материала, называются машинами быстрого прототипирования .

Станкостроение

См. Также: Изготовитель станков

Согласно исследованию, проведенному исследовательской фирмой Gardner Research, мировой рынок станков в 2014 году составил около 81 миллиарда долларов. Крупнейшим производителем станков был Китай с объемом производства 23,8 млрд долларов, за ним следуют Германия и Япония с 12,9 млрд долларов и 12,88 млрд долларов соответственно. Замыкают пятерку ведущих производителей Южная Корея и Италия с доходом в 5,6 и 5 миллиардов долларов соответственно.

Смотрите также

использованная литература

Библиография

дальнейшее чтение

  • Колвин, Фред Х. (1947), Шестьдесят лет с людьми и машинами , Нью-Йорк и Лондон: McGraw-Hill, LCCN  47003762. Доступно в виде перепечатки на сайте Lindsay Publications ( ISBN  978-0-917914-86-7 ). Предисловие Ральфа Фландерса . Мемуары, которые содержат довольно много общей истории отрасли.
  • Флауд, Родерик К. (2006) [1976], Британская станкостроительная промышленность, 1850-1914 , Кембридж, Англия: Cambridge University Press, ISBN 978-0-521-02555-3, LCCN  2006275684 , OCLC  70251252. Монография по истории, экономике и политике импорта и экспорта. Оригинальная публикация 1976 года: LCCN 75-046133, ISBN  0-521-21203-0 .
  • Хауншелл, Дэвид А. (1984), От американской системы к массовому производству, 1800–1932: Развитие производственных технологий в Соединенных Штатах , Балтимор, Мэриленд: Johns Hopkins University Press, ISBN 978-0-8018-2975-8, LCCN  83016269 , OCLC  1104810110 Одна из наиболее подробных историй станкостроения с конца 18 века по 1932 год. Не исчерпывающая с точки зрения названий фирм и статистики продаж (как это делает Флауд), но чрезвычайно подробная в изучении развития и распространения практической взаимозаменяемости, и мышление, стоящее за промежуточными шагами. Широко цитируется в более поздних работах.
  • Ноубл, Дэвид Ф. (1984), Производственные силы: Социальная история промышленной автоматизации , Нью-Йорк, Нью-Йорк, США: Кнопф, ISBN 978-0-394-51262-4, LCCN  83048867 . Одна из наиболее подробных историй станкостроения со времен Второй мировой войны до начала 1980-х годов в контексте социальных последствий развития автоматизации с помощью ЧПУ и ЧПУ.
  • Роу, Джозеф Уикхэм (1937), Джеймс Хартнесс: представитель машинного века в лучшем виде , Нью-Йорк, Нью-Йорк, США: Американское общество инженеров-механиков , LCCN  37016470 , OCLC  3456642 .ссылка с HathiTrust .

. Биография производителя станков, которая также содержит некоторую общую историю отрасли.

внешние ссылки