Станок для промышленной революции
Промышленную революцию в Англии XVIII века обычно связывают с усовершенствованием ткацкого станка и изобретением паровой машины.
Эти и другие усовершенствования и изобретения породили настоятельную потребность в увеличении производства новых машин. Того же требовало развитие кораблестроения и производства вооружений, обусловленное расширением британской колониальной империи и торговли со всем миром. Англия стала «владычицей морей».
Флот тогда был парусным. Паруса управлялись системой канатов, пропущенных через блоки. В начале XIX века только для британского военного флота требовалось более 130 тысяч блоков в год. Потребность в таком количестве однотипной продукции могло удовлетворить только массовое производство.
Но невиданный доселе спрос на машины нельзя было удовлетворить до тех пор, пока их изготовляли вручную: машины создавались искусными ремесленниками-механиками, которые зачастую хранили в тайне свои производственные секреты. За это их даже часто называли арканистами, то есть людьми, владеющими тайным знанием. Качество машин зависело от искусства рабочих. Так что машины были редкостью и стоили дорого.
Известно, что тот же Джеймс Уатт довольно долго не мог изготовить изобретенную им паровую машину, так как ему не удавалось добиться необходимой точности изготовления цилиндра.
Ручное изготовление деталей машин исключало их взаимозаменяемость, в результате каждая машина становилась уникальной, а ее ремонт был невозможен либо требовал кропотливой подгонки новых деталей. Аналогичные проблемы возникали при изготовлении всех сложных устройств. Например, того же оружия.
Главную роль в решении этих проблем сыграло усовершенствование токарного станка, осуществленное британским инженером-механиком Генри Модсли (1771–1831). Его можно считать отцом-основателем современной станкостроительной промышленности — именно Модсли первым организовал производство машин машинами в промышленных масштабах, создал методику конструирования машин и разработки технологических процессов, внедрил в повседневную практику машиностроения точные измерительные инструменты.
Детство и юность
Генри Модсли родился 22 августа 1771 году в Вулвиче, расположенном в восьми милях от Лондона, он был пятым ребенком в многодетной семье плотника местного арсенала. О детских годах будущего станкостроителя ничего не известно, кроме того, что ему, сыну плотника, путь в школу был заказан. Судя по всему, он овладел грамотой самостоятельно и достаточно поздно. Как и других детей из рабочих семей, Генри в двенадцать лет послали работать. Он поступил в тот же арсенал набивальщиком патронов — в Англии таких рабочих называли powder monkey, «пороховой обезьянкой». Через два года его перевели учеником в плотницкую мастерскую. А еще через год он сам попросился учеником в кузницу, где по собственному почину еще и слесарил. К восемнадцати годам Модсли стал не только лучшим кузнецом арсенала, но и слесарем-механиком, о чем свидетельствуют измерительные инструменты, сделанные им самостоятельно в период работы в Вулвичском арсенале.
В то время в Пимлико, предместье Лондона, большой мастерской владел Джозеф Брама, известный механик и изобретатель, пионер в области гидравлики и слесарной работы. Он был грамотен и умел хорошо чертить.
Первоначально Брама устанавливал в Лондоне ватерклозеты. Он придумал для них совершенно новое устройство, на которое взял патент. С тех пор изобретение Брама претерпело лишь небольшие изменения.
Затем Брама усовершенствовал дверной замок. Он разработал новую схему механизма, которая превосходила все известные до него по качеству и надежности. Исправное действие нового замка зависело от точности изготовления деталей. И Брама стал искать искусного механика, которому он мог бы поручить это дело. Но платить много не хотел. Таким человеком оказался Модсли: молодой парень был рад интересной работе и не требовал большой оплаты.
Вскоре он стал лучшим рабочим в мастерской. Брама назначил его мастером и поручил ему механизацию изготовления деталей своего замка. Попутно Модсли овладевал грамотой и учился чертить. Работа с замком велась секретно, в отдельном, всегда запертом помещении, что давало Модсли дополнительные возможности для самостоятельной углубленной работы.
Сохранились некоторые машины и приспособления из секретной мастерской Джозефа Брама, в том числе механизированная пила, станок для навивания пружин и шаблон для разметки при сверлении. Механизированная пила имеет призматические направляющие, применение которых в конструкциях позднейших токарных станков, созданных Модсли, относят к его важнейшим усовершенствованиям. А в конструкции станка для навивания пружин кроме призматических направляющих имеются суппорт, механизированный с помощью пары «винт–гайка», и комплект сменных зубчатых колес. Иными словами, набор всех тех устройств, которые легли в основу будущих токарных станков, были разработаны Модсли еще в период его работы на Брама.
Годы обучения и труда в мастерской Брама во многом подготовили Модсли к его дальнейшей работе. Многие заказы Брама выполнял с участием Модсли, который учился у Джозефа не только искусству машиностроителя, но и деловой хватке: он стал понимать, при производстве каких изделий массового спроса механизация и автоматизация наиболее эффективны.
Брама был многим обязан Модсли, но все равно не хотел повышать ему зарплату. Это подтолкнуло Модсли к тому, чтобы уйти от скупого хозяина.
Тем более что у каждого рабочего мануфактуры была заветная мечта — самому стать владельцем мастерской. К этому шли постепенно, мало-помалу изготовляли для себя лично кузнечные, слесарные и измерительные инструменты. Модсли начал делать это еще в арсенале Вулвича. Работая у Брама, он продолжал накапливать запас. Со временем эти инструменты ему очень пригодились.
Жестоко экономя на самом необходимом, Генри скопил небольшую сумму и в 1797 году снял маленькую мастерскую и заброшенную кузницу при ней. Так Модсли покинул Брама, проработав у него восемь лет.
#image-kit_561
Станок нового типа
Долгое время с заказами в мастерской было туго, и у Модсли оставалось свободное время, которое он тратил на усовершенствование токарно-винторезного станка, конструкцию которого начал разрабатывать еще в мастерской Брама.
Одна из основных проблем токарных станков в то время состояла в том, что резец приходилось держать в руках. Для удобства токари придумали длинные держатели резцов, особые упоры для них. Но и с ними работать было очень трудно. Действуя ручным резцом, почти невозможно добиться при обработке правильной круглой формы обтачиваемой заготовки. Отсталая технология обработки материалов задерживала развитие техники. Практически невозможно было, держа резец в руках, нарезать на металлическом стержне точную винтовую резьбу.
В 1798 году Модсли построил станок с крестовым суппортом для установки на нем резца, движение которого в продольном и поперечном направлениях происходило с помощью двух ходовых винтов. Подвинув резец с помощью суппорта вплотную к заготовке, жестко установив его на поперечных салазках, а затем перемещая вдоль обрабатываемой поверхности, можно было с большой точностью срезать лишний металл.
Для того чтобы заставить суппорт перемещаться вдоль станка, Модсли соединил с помощью двух зубчатых колес шпиндель передней бабки с ходовым винтом суппорта. Вращающийся винт вкручивался в гайку, которая тянула за собой салазки суппорта и заставляла их скользить вдоль станины. Поскольку ходовой винт вращался с той же скоростью, что и шпиндель, то на заготовке нарезалась резьба с тем же шагом, что и на винте.
Для нарезки винтов с различным шагом при станке имелся запас ходовых винтов.
В 1800 году Модсли внес усовершенствование в свой станок — взамен набора сменных ходовых винтов он применил набор сменных зубчатых колес, которые соединяли шпиндель и ходовой винт (их было 28 с числом зубьев от 15 до 50). Теперь можно было при помощи одного ходового винта получать различные резьбы с разнообразным шагом.
Меняя комбинацию колес, можно было добиваться разного эффекта, например нарезать правую резьбу вместо левой. На своем станке Модсли выполнял нарезку резьб с такой точностью и аккуратностью, что это казалось современникам почти чудом. Он, в частности, нарезал регулировочные винт и гайку для астрономического прибора, который в течение долгого времени считался непревзойденным шедевром точности. Винт имел пять футов длины и два дюйма в диаметре с 50 витками на каждый дюйм.
Резьба была такой мелкой, что ее невозможно было рассмотреть невооруженным глазом. В скором времени усовершенствованный Модсли станок получил повсеместное распространение и послужил образцом для многих других металлорежущих станков. Выдающееся достижение Модсли принесло ему громкую и заслуженную славу.
Хотя попытки применения суппорта были известны и до Модсли, как другие его усовершенствования, его заслуга состояла в том, что он впервые объединил их и его вариант оказался конструктивно самым совершенным. Он же первым установил, что каждый винт определенного диаметра должен иметь резьбу с определенным шагом. До тех пор пока винтовая нарезка наносилась вручную, каждый винт имел свои особенности.
Для всякого винта изготовлялась своя гайка, обычно не подходившая ни к какому другому винту. Введение механизированной нарезки обеспечило единообразие всех резьб. Теперь любой винт и любая гайка одного диаметра подходили друг к другу вне зависимости от того, где они были изготовлены.
Более того, Модсли впервые в машиностроительной практике выпустил наборы метчиков и плашек; таким образом, любой болт соответствующего размера подходил к любой гайке того же размера.
Это было началом унификации и стандартизации деталей, имевшей чрезвычайно большое значение для машиностроения.
Наконец, Модсли впервые изобрел микрометр с точностью измерения до одной десятитысячной доли дюйма, или около 3 мкм. Он назвал его «лордом-канцлером», поскольку им пользовались, чтобы решать любые вопросы, возникавшие в его мастерских относительно точности измерения деталей.
Джеймс Несмит, один из учеников Модсли, в последующем сам ставший выдающимся изобретателем, в своих воспоминаниях писал о Модсли как о зачинателе стандартизации. «Он перешел к распространению важнейшего дела единообразия винтов. Можно назвать это усовершенствованием, но вернее будет назвать это переворотом, произведенным Модсли в машиностроении… Только тот, кто жил в относительно ранние дни производства машин… правильно оценит великую заслугу, оказанную Модсли машиностроению».
От создания станка к созданию промышленности
Внедрение станка, созданного Модсли, в промышленность стало одним из важнейших событий эпохи промышленной революции. Основные узлы станка 1800 года сохраняются в конструкциях токарных станков и в наши дни.
Модсли не имел влиятельных знакомых среди богатых людей, которые помогли бы ему в получении крупного заказа. Он был всего лишь одиноким ремесленником. Нужен был счастливый случай. И в первые годы XIX века такой случай представился. Он был связан с развитием английского флота.
Модсли впервые в машиностроительной практике выпустил наборы метчиков и плашек; таким образом, любой болт соответствующего размера подходил к любой гайке того же размера. Это было началом унификации и стандартизации деталей, имевшей чрезвычайно большое значение для машиностроения
До третьей четверти XVIII века корабельные блоки, которые мы уже упомянули выше, изготовлялись вручную столярами. Работа эта требовала много времени и стоила дорого. Всех операций при изготовлении блоков насчитывалось более сорока пяти. Механизирована была лишь незначительная их часть.
Идея полной механизации процесса изготовления корабельных блоков возникла в конце XVIII века у французского военного инженера Марка Изамбара Брюнеля, ученика знаменитого математика и инженера Гаспара Монжа. Реализовать эту идею было суждено Генри Модсли.
В 1798 году Брюнель переехал в Англию. Здесь он разработал проект поточной линии для изготовления корабельных блоков и в 1801 году получил на свое изобретение британский патент.
Генерал-инспектор строительных и ремонтных работ английского военного флота Сэмюель Бентам поддержал изобретателя и начал ходатайствовать за него.
Получив одобрение Адмиралтейства, Брюнель приступил к доработке своих чертежей и подготовке к созданию действующей модели линии по производству блоков. Изготовить модель должен был механик, которого еще предстояло найти.
Поиски механика привели Брюнеля к Модсли. Во время знакомства Брюнель описал предполагаемый заказ в самых общих чертах. Но Модсли очень быстро понял суть дела и показал Брюнелю, как его исполнить. Большое впечатление произвел на Брюнеля и станок Модсли с механизированным суппортом и набором сменных зубчатых колес. Этот станок должен был стать основным при изготовлении деталей машин поточной линии. Он был тогда единственной машиной для производства других машин.
Новая работа хорошо оплачивалась. Благодаря заказу Модсли смог разработать и реализовать свои передовые идеи в области технологии машиностроения. Строя специальные машины для производства блоков, Модсли разработал также общие принципы механизации металлорежущего оборудования.
15 апреля 1802 году действующая модель линии по производству блоков была установлена в портсмутских доках. Испытания ее прошли успешно, и Модсли получил заказ на изготовление линии машин в натуре.
Эта линия состояла из сорока трех специализированных деревообрабатывающих и металлорежущих станков. В движение их приводили две паровые машины, по тридцать лошадиных сил каждая. Получилась целая система машин, с помощью которой рабочие выполняли все операции, нужные для изготовления блока: от распиливания деревьев особо твердых пород — бакаута и вяза — до обточки бронзовых подшипников и нарезания резьбы на соединительных болтах. Блочные машины Модсли войдут в историю как самые первые станки, изготовленные с помощью других станков, стоявших в мастерских изобретателя. Машины, которые сделаны машинами. Так началась история крупной машинной промышленности.
Выполнение этого заказа сделало Модсли состоятельным человеком (он получил огромную сумму — около 12 тысяч фунтов стерлингов). А Брюнель и Бентам, ставшие близкими друзьями Модсли, ввели его в круг своих друзей и знакомых — видных деятелей техники, науки и культуры.
Одним из тех, кто близко сошелся с Модсли, был Майкл Фарадей, в эти годы работавший над созданием качественных сталей. Качественные стали, особенно инструментальные, интересовали и Генри Модсли.
Со временем Модсли и сам стал не только виднейшим деятелем техники, но и знатоком и ценителем музыки, живописи, скульптуры, архитектуры, собрал большую библиотеку, которая была любимым местом его отдыха.
В портсмутском доке Модсли познакомился с Джошуа Филдом, который работал чертежником. В 1805 году он начал работать совместно с Модсли, став через некоторое время его компаньоном. Сотрудничество Модсли и Филда оказалось очень удачным. Оно продолжалось в течение всей их жизни.
Филд взял на себя чертежное хозяйство, ведение учета и отчетности, переговоры и переписку с заказчиками и поставщиками, прием и увольнение рабочих. Модсли сохранил за собой разработку конструкций машин и руководство технологическим процессом их постройки.
На собственном заводе прославленный машиностроитель выполнял многочисленные заказы на металлорежущие станки, прессы для изготовления монет, текстильное, мукомольное и другое оборудование для промышленности, насосы, судовые паровые котлы и машины по заказам многих стран мира
Создание системы машин для изготовления корабельных блоков стало сенсацией в среде промышленников. Репутация Модсли как машиностроителя упрочилась настолько, что заказов стало больше, чем могли выполнить сравнительно небольшие мастерские, в которых работало до 80 рабочих. Встал вопрос о строительстве большого машиностроительного завода.
В 1810 году в Ламбете, одном из районов Лондона, был основан завод, вскоре ставший знаменитым. Начался третий этап деятельности Модсли. На собственном заводе прославленный машиностроитель выполнял многочисленные и обширные заказы на металлорежущие станки, прессы для изготовления монет, текстильное, мукомольное и другое оборудование для промышленности, насосы, судовые паровые котлы и машины по заказам многих стран мира.
Сохранилось описание завода Модсли. Там было около дюжины токарных станков с чугунными станинами. Большинство из них были снабжены механизированными суппортами. Над станками имелись тали для установки и съема тяжелых деталей. Почти все станки приводились в движение с помощью трансмиссий от паровой машины. Кроме обычных токарных станков имелись лоботокарный, несколько продольно-строгальных, большой поперечно-строгальный и специальный станок, предназначенный для обточки шеек коленчатых валов. В последнем станке инструмент вращался вокруг неподвижно устанавливаемой заготовки.
Деятельность Модсли получила широкую известность во многих странах мира, для которых его завод выполнял заказы. Крупным заказчиком была Пруссия. В 1829 году Модсли был избран почетным членом Прусского общества поощрения промышленности в Берлине.
В начале 1831 года Модсли отправился во Францию. На обратном пути он сильно простудился и, вернувшись домой, слег в постель. Болезнь продолжалась около месяца, и 14 февраля 1831 года Модсли скончался. Его похоронили в Вулвиче на приходском кладбище церкви Св. Марии, где по его собственному проекту был воздвигнут чугунный мемориал семьи Модсли, отлитый на заводе в Ламбете.