(495) 234-36-61
На главную страницу блога Почта

Блог «Умные мелочи»

Токарный станок

Рубрика: (Как рождались технологии) | Автор: moderator | Дата: 03-10-2014

Метки: , , , ,

Станок, как устройство фиксации какого-либо предмета для его обработки, известен очень давно. Первыми станками были гончарный круг и ткацкий станок (в виде деревянной рамы с натянутыми на нее нитями основы). К древнейшим станкам можно отнести стапель – плоский деревянный настил, на котором собирались первые корабли. И даже обычный столярный верстак, на котором при помощи тисков и зажимов можно закрепить деревянную заготовку.

По устройству к токарному станку ближе всего гончарный круг. Возможно, первый токарный станок для обтачивания деревянных заготовок, был изобретен именно по подобию гончарного круга. В самом деле, закрепленный на верхней поверхности гончарного круга комок глины позволяет придать будущему горшку или вазе идеально круглую форму. Вручную добиться правильной формы трудно, а на круге руки мастера действуют, как лекало, обжимая со всех сторон пластичную глину. Ну, а если вместо глины на гончарном круге закрепить деревянную чурку и действовать не руками, а острым металлическим ножом? Нож снимает с заготовки стружку, обтачивает поверхность заготовки и позволяет добиться идеально ровной, симметричной поверхности.

Но вертикальная ориентация заготовки не дает возможности давить на нож равномерно, чтобы снимать древесину ровными слоями. И сам нож неудобен, поскольку резчику требуется не боковая, а торцевая режущая поверхность инструмента. Вот и вырисовывается конструкция токарного станка для обработки деревянных деталей. Цилиндрическая деревянная заготовка закрепляется горизонтально между передней и задней бабками станка. При этом передняя бабка приводится во вращение, придавая вращение и обрабатываемой детали, а задняя бабка удерживает заготовку в строго горизонтальном положении.

Вместо ножа для обработки древесины на токарном станке применяются специальные резцы – стамески, узкие полоски из упругой инструментальной стали с заточенными торцами. Чтобы не удерживать стамеску на весу, станок оснащается регулируемым упором, расположенным параллельно обрабатываемой детали. При этом деталь вращается против часовой стрелки – если передняя бабка располагается слева от токаря. То есть поверхность детали движется сверху вниз, набегая на верхнюю часть заточенного торца стамески. Устроено просто, а в работе очень удобно. При должном навыке можно быстро выточить из дерева множество совершенно одинаковых деталей, например, ножек для стола и стула. Или изготовить деревянную чашу. Или тонкую вазу. Или что-нибудь еще – круглое и симметричное.

Все бы хорошо, но как и чем приводить деревянную деталь во вращение? Современные токарные станки оснащены электрическими двигателями. Но первые станки появились около 500 лет до нашей эры (может, и раньше). О каких-либо двигателях и речи не шло… Двигателем токарного станка были руки самого человека. Скорее всего, подмастерье вращал закрепленную на станке деталь рукояткой, а мастер обтачивал дерево стамеской.

Затем для ускорения скорости вращения была придумана ременная передача. Ведущий вал имел больший диаметр, а ведомый – меньший. В результате за один оборот ведущего вала ведомый вал совершал несколько оборотов. Деталь вращалась с достаточно большой скоростью, чтобы с нее можно было снять ровную тонкую стружку.

Позже был придуман механизм ножного привода токарного станка. На вал передней бабки насаживался массивный маховик. К боковой поверхности маховика со смещением от центра крепился шатун. Нижняя головка шатуна шарнирно соединялась с качающейся педалью. Покачивая ногой педаль, токарь приводил во вращение маховик и, соответственно, саму обрабатываемую деталь.

Чтобы представить себе работу этого нехитрого механизма, достаточно взглянуть на работу швейной машинки с ножным приводом, устройство которого идентично устройству привода токарного станка. Собственно, при изобретении швейной машинки в 1755 году английские мастера взяли за основу именно привод токарного станка (но никак не наоборот, поскольку токарный станок старше швейной машинки более чем на две тысячи лет).

Чем совершенней становился токарный станок, тем разнообразней становились и инструменты для обработки дерева. Были изобретены стамески с вогнутыми режущими кромками для обработки полых деревянных предметов изнутри (для этого заготовка крепится только к одной передней бабке, а задняя бабка не используется), с узкими режущими кромками разной ширины для нанесения желобков, узоров, вытачивания поясков и так далее. Для шлифовки изделий были придуманы напильники и рашпили – полоски стали, на которые наносится насечка (на напильники мелкая, на рашпили крупная), а потом инструмент закаляется (быстро охлаждается) для придания ему твердости. Для тонкой доводки используется шкурка и наждачная бумага – частицы стекла, приклеенные к тканевой или бумажной основе.

Токарные станки для обработки дерева используются до сих пор и, наверное, будут использоваться еще много лет. С электрическим приводом, полностью ручным или автоматизированным управлением, они работают в мебельной и строительной промышленности, в индустрии бытовых товаров – везде, где естественная древесина не может быть заменена искусственными материалами.

Но есть еще одна важнейшая область применения токарных станков – металлообработка. Металл – хлеб современной промышленности, а токарный станок – один из основных ее инструментов. Устройство токарного станка для обработки металла схоже с устройством древнего токарного станка для работы с деревом, но только внешне. Для привода токарного станка используются мощные электродвигатели. Скорость вращения регулируется многоступенчатой шестеренчатой передачей, устройство которой напоминает коробку передач автомобиля.

Вместо передней бабки в металлообрабатывающем токарном станке используется специальный шпиндель с радиальным зажимом. Цилиндрическая заготовка (обычно железный пруток) вставляется в отверстие шпинделя и зажимается тремя губками, расположенными внутри шпинделя. Крепление осуществляется последовательным закручиванием прижимных винтов  ключом. Вместо стамески, которая при обработке дерева удерживается руками токаря, при работе с металлом используются резцы, закрепляемые в специальных тисках. Резец представляет собой прямоугольную деталь с острой режущей кромкой. Резец изготовлен из особо прочной инструментальной стали, а режущая кромка закалена и заточена. Иногда используются резцы со специальным твердосплавным покрытием и даже с алмазной вставкой. Подобные инструменты нужны для обработки деталей из твердых металлов.

При обработке на токарном станке металлическая заготовка, зажатая в шпинделе, приводится во вращение главным двигателем станка. Резец прижимается к обрабатываемой поверхности при помощи винтового механизма, а если станок оснащен автоматическим управлением, то специальным двигателем. При вращении детали резец снимает тонкую металлическую стружку, придавая заготовке необходимую форму. Поскольку обрабатывается материал твердый и прочный, резец и сама заготовка сильно нагреваются. Для их охлаждения используются либо вода, либо машинное масло, которые могут подаваться вручную или автоматически.

В зависимости от назначения токарные станки для обработки металла подразделяются на множество типов. Например, для изготовления деталей сложной формы применяются многорезцовые станки, которые способны одновременно обтачивать заготовку по всей ее длине. Револьверные станки позволяют быстро переходить от одной заготовки к другой, проворачивая барабан со шпинделями. Центровально-отрезные станки предназначены для изготовления полых металлических деталей. Не менее разнообразны и инструменты для токарных работ. Например, для нарезания внешней резьбы на болтах используют круглые резцы – плашки. Для нарезания внутренней резьбы на гайках или внутри полых трубок используются специальные резцы — метчики.

Вообще же изготовление деталей машин из металла – это целая наука, которая так и называется металловедением. Одной из наиболее важных ее составляющих является еще одна наука – сопротивление материалов. Сопромат, так для краткости называют сопротивление материалов студенты, изучает прочность и деформации сооружений и деталей машин. При этом главная задача сопромата – расчет прочности конструкций с целью обеспечения их жесткости и устойчивости при воздействии различных нагрузок.

Сопротивление материалов наука непростая, но ее знание обязательно для любого инженера, поскольку от правильного расчета прочности конструкций и строго следования этим расчетам зависят здоровье, а порой и жизнь людей. Потому-то мы с таким уважением и относимся к людям этой профессии, что они владеют секретами сложнейших научных дисциплин.

В истории техники токарному станку отведена особая роль. Наряду с гончарным кругом это один из самых первых инструментов для изготовления однотипных деталей и предметов, без которых невозможно представить себе промышленность. Любая более-менее сложная конструкция, изготовленная промышленным способом,  составлена из стандартных деталей. Например, ножки стула имеют одинаковую форму и одинаковые размеры. И колеса гужевой повозки. И детали оснащения морского судна. И многое-многое другое, о чем в античные времена люди не могли и мечтать, и без чего мы не можем существовать сегодня.

Гончарное дело

Рубрика: (Как рождались технологии) | Автор: moderator | Дата: 28-02-2014

Метки: , , , , ,

Керамика (от греческого keramos – глина), или гончарное ремесло – это изготовление различных предметов из глины в сочетании с минеральными добавками. После обжига глина спекается с неорганическими соединениями, становится твердой и прочной.

Гончарное дело возникло около 27 тысяч лет до нашей эры в эпоху палеолита. Но в те далекие времена человечество еще не изобрело технологию обжига. Поэтому из глины изготавливались лишь ритуальные фигурки и примитивные украшения.

Около 8 тысяч лет назад, в эпоху неолита, люди изобрели обжиг. С этого времени глина становится основным материалом для изготовления посуды, домашней утвари и применяется в качестве строительного материала.

Собственно, глина не утратила своего значения и по сей день. Мы по-прежнему пользуемся глиняной посудой, кроем дома черепицей, украшаем жилища декоративной керамикой.

Керамика подразделяется на несколько видов. По структуре материала – на грубую (например, кирпич), тонкую мелкозернистую (фарфор), пористую мелкозернистую (фаянс, майолика), высокопористую (изоляционные материалы, например, керамзит). В наши дни керамика применяется в строительном деле, в быту, в химической, радио и электротехнической промышленности.

Первые изделия из обожженной глины, они же древнейшие свидетельства первых цивилизаций, это грубые, неправильной формы горшки для приготовления пищи. Дно этих горшков было округлым и даже заостренным. Пища готовилась на примитивных очагах из сложенных вместе камней. Горшок с округлым дном попросту устанавливался между камней очага.

В эпоху позднего палеолита появляются горшки с плоским дном (что, надо полагать, свидетельствует о применении в жилищах печей, а не открытых очагов). Затем на поверхности глиняных изделий появляется вылепленный орнамент. И, наконец, около 6 тысяч лет до нашей эры возникает роспись по керамике.

Именно к этому периоду археологи относят зарождение первых мировых культур. Глиняные статуэтки, домашняя утварь, украшенная рисунками и орнаментами, посуда самой разнообразных форм – все это материальные свидетельства исчезнувших цивилизаций. В это же время человечество изобретает глиняный обожженный блок – кирпич, без которого невозможно представить строительство и в наше время.

Особое значение гончарное дело приобрело в эпоху бронзового века – около 4 тысяч лет до нашей эры. В государствах Египта и Междуречья профессия гончара считалась почетной. Мастерство гончара передавалось по наследству из поколения в поколение — от отца к сыну. В то же время были изобретены гончарный круг и глазурь.

Гончарный круг — это два расположенных горизонтально колеса, закрепленные на вертикальной оси. Нижнее колесо вращалось ногами, на верхнем закреплялась заготовка из сырой глины. Обычно колеса гончарного круга изготавливались из камня, что придавало им свойства тяжелых маховиков, надолго сохраняющих вращение.

Круг позволил получить керамические изделия правильной формы. А глазурь, слой спекшегося стекловидного вещества (в основе глазури, как и стекла – песок и сода), придал древней посуде водонепроницаемость. До изобретения древними египтянами глазури горшки приходилось обрабатывать органическими веществами. Один из древнейших рецептов (им при необходимости можно воспользоваться и сегодня) состоит в том, что готовый горшок заполняли молоком и ставили в печь томиться. В порах стенок глиняного сосуда образовывалась затвердевшая жировая пленка, которая предотвращала впитывание пористой глиной любой другой жидкости. Но со временем пленка выгорала, и сосуд снова давал течь.

Добавление в глазурь солей металлов придавало керамике тот или иной цвет. Найденные в ходе археологических раскопок египетских городов глазурованные глиняные предметы представляют не только историческую, но и художественную ценность.

Около 2 тысяч лет до нашей эры в Древнем Египте появляется фаянс – тонкая мелкопористая глазурованная посуда. К тому же времени относится появление в Китае глазурованной посуды из белой глины -  каолина.

Технология изготовления предметов из глины элементарно проста. Если мы возьмем сухую глину, смешаем ее с небольшим количеством воды и тщательно вымесим ее для придания заготовке консистенции теста, то мы получим материал, из которого можно вылепить фигурку, плошку, вазочку и так далее.

Готовое изделие следует просушить. Если сушка идет естественным образом, а поверхность горшочка или глиняной фигурки никак не обрабатывается, то мы получим изделие из терракоты. Терракота – древнейший вид керамики. Но необожженную терракоту трудно сохранить в целости, особенно, если стенки глиняного сосуда имеют большую толщину. В этом случае глина высыхает неравномерно, и верхние, быстро высыхающие, слои растрескиваются. Поэтому необожженная терракота чрезвычайно редкая археологическая находка.

Обжиг в печи ускоряет просушку глиняного изделия. Кроме того, верхние и глубинные слои глины  просушиваются равномерно и одновременно, предотвращая растрескивание. Спекшиеся минеральные вещества глины придают терракотовому изделию прочность. Потому терракотовая посуда из обожженной глины сохраняется лучше и археологам попадается чаще.

Изобретение гончарного круга и глазури придали древней керамике новое значение. Из ремесла прикладного, утилитарного, керамика превратилась в искусство. Особое развитие художественная керамика получила в Древней Греции. Греческие амфоры, покрытые черным лаком  расписанные белой и пурпурной краской, рассказывают нам о том, как одевались, как и чем жили древние люди, во что они верили, чему поклонялись.

Совершенствование технологии керамики в значительной степени повлияло на развитие культуры человечества. В 6 веке нашей эры в Китае был изобретен фарфор. Фарфоровые изделия были необычайно тонки, почти прозрачны на просвет и издавали мелодичный звон. Фарфор изготавливался из смеси огнеупорной глины, каолина, полевого шпата и кварца.

К 14 веку производство китайского фарфора достигло совершенства. Примерно в то же время фарфоровые изделия впервые попали в Европу, где пользовались огромным спросом. На два столетия позже в Европе началось производство своего, «мягкого» фарфора без каолина. Китайцы держали в строжайшем секрете технологию изготовления фарфора, поэтому ее пришлось изобретать повторно.  В начале 18 века рецепт фарфоровой массы был открыт в Саксонии – И. Ф. Бетгером и Э. В. Чирнгаузом. С этого времени в Саксонии начинается производство знаменитого мейсенского фарфора.

В России технология изготовления фарфора была разработана в 1747 году Д. И. Виноградовым. С 1765 года занимающаяся исследованиями в области производства фарфора Порцелиновая мануфактура, основанная в Санкт-Петербурге в 1744 году, переименована в Императорский фарфоровый завод, который и начал выпуск изделий из фарфора по заказам царской семьи.

В другой стране Дальнего Востока – в Японии – с развитием керамики связано возникновение чайной церемонии. Во второй половине 14 века в Японии появились чаши раку-яки и другие сосуды из пористой глины, предназначенные для чая.

А что с гончарным делом сегодня? Это вечное ремесло вовсе не забыто. Керамика один из популярнейших видов современного прикладного искусства. Более того, керамика широко применяется в области высоких технологий. Если присмотреться к устройству  персонального компьютера или телевизора, то мы обнаружим, что изоляторы многих электронных деталей изготовлены из керамики. Износостойкие керамические втулки устанавливаются в автомобильные двигатели. Керамическими огнеупорными плитками покрыта поверхность корпуса космического корабля многоразового использования. Наконец, в быту мы пользуемся керамическими чашками и тарелками. И даже живем в домах, построенных из кирпича.

А начиналось все почти 30 тысяч лет назад — с неказистого глиняного горшка.

Колесо

Рубрика: (Как рождались технологии) | Автор: moderator | Дата: 07-02-2014

Метки: , , , ,

Как вы думаете – сколько лет колесу? В отличие от других великих открытий человечества, возраст колеса известен более-менее точно. Хотя, что значит – известен? Мы знаем лишь приблизительный возраст новейших археологических находок. А это вовсе не означает, что спустя некоторое время мы не обнаружим другую находку, которая окажется еще старше.

И, тем не менее, возраст самого старого в истории  человечества колеса известен. Самое древнее колесо в истории человечества найдено недавно в Словении. Этому колесу от 5350 до 5100 лет. Оно не менее чем на сто лет старше древнейших колес, найденных в Германии и в Швейцарии. Словенское колесо изготовлено из древесины ясеня и дуба. Его радиус составляет 70 сантиметров (не такое уж маленькое оказалось колесико!), а ширина 10 сантиметров.

Ранее считалось, что колесо было изобретено в Древнем Востоке около 4 тысяч лет назад. Так что благодаря последним археологическим находкам колесо «слегка возмужало».

Если говорить серьезно, то история изобретения колеса дает ответ на многие загадки. Во всяком случае, мы теперь знаем, почему некоторые народы, например, американские индейцы, не использовали колеса. Да потому что заселение американских континентов произошло задолго до изобретения колеса. Берингов пролив (когда он был еще не проливом, а сухопутным перешейком) древнейшие предки индейских племен преодолели около двадцати тысяч лет назад. Находясь в изоляции, они развивались автономно и до изобретения колеса попросту не дошли. Как не дошли, скажем, до приручения лошади (и не могли дойти, поскольку дикая лошадь на территории Америки вымерла более пяти тысяч лет назад). Зато домашнюю собаку использовали, поскольку вывезли это древнейшее знание с территории своей прародины – Старого Света.

И все же удивительно, что такая элементарная вещь, как колесо, была известна не всему человечеству, а лишь его относительно небольшой части.

Впрочем, изобретение колеса не покажется таким простым, если попробовать отыскать в природе его прототип. У любого древнего инструмента есть природные аналоги – у палки-копалки, у каменного топора, у ножа. К примеру, игла – это острая кость рыбы. Копье – бамбуковый ствол. Лук – гибкая ветвь кустарника.

У колеса же природного аналога нет. Даже применение поваленных деревьев в качестве роликов для перемещения огромных каменных глыб, которые индейцы использовали для строительства своих грандиозных пирамид, не навело их на мысль изготовить из тех же стволов колесо.

Первое колесо, что доказывает находка в Словении (косвенно, поскольку словенское колесо оказалось составным из разных пород древесины), было срезом деревянного бревна. Просверлив в центре деревянного круга отверстие и приладив ось, древние люди и получили колесо.

Среди древних находок попадаются колеса, изготовленные из различных материалов. Чаще всего – из дерева, камня и глины. Деревянные колеса использовались в транспортных средствах – ручных тачках и гужевых повозках. Каменные колеса применялись в качестве жерновов для измельчения зерна в муку. Глиняные колеса дошли до наших времен в виде разного рода статуэток, игрушек, украшений. Благодаря глиняным фигуркам мы можем представить себе, как выглядели древние повозки и колесницы.

Изобретение колеса открыло дорогу производственным технологиям. Одна из древнейших технологий – земледелие. В засушливых районах Древнего Египта оно немыслимо без ирригации – технологии искусственного орошения почвы. Чтобы посевы не высохли, по всей долине реки Нил были устроены водоподъемники – большие колеса с прикрепленными к ним емкостями для воды.

В отличие от египтян и народов Древней Азии, населяющие Америку майя ирригации не знали. Они занимались подсечно-огневым земледелием и попросту бросали свои поселения, когда почва вокруг городов истощалась. Возможно, это и стало причиной исчезновения некоторых древних индейских цивилизаций еще до открытия Америки Колумбом.

Полученный урожай зерновых надо было переработать в пищевые продукты. То есть смолоть зерно в муку, из которой затем выпечь хлеб. Зерно перемалывалось между каменными колесами-жерновами. Примитивные мельницы приводились в действие силами рабов или тягловых животных. Но позже появились водяные мельницы, в которых жернова приводились в действие силой потока воды.

Другая древняя технология – производство глиняной посуды. Чтобы из сырой заготовки получить симметричный кувшин, глиняный ком устанавливали на плоскость каменного круга. Круг (колесо) вращали, руками формируя из глиняного сырья кувшин или чашу.

Долина Нила и других великих рек постепенно заселялась людьми. Развивалось производство, возникла торговля. Чтобы эффективно торговать, городам был необходим транспорт. Так возникла еще одна технология – транспортная. Запряженные волами или лошадьми колесные повозки позволяли перевозить товары на большие расстояния, связывая тем самым древние города.

Не обошлись без применения колеса и военные технологии. Боевая колесница стала мощным и грозным наступательным оружием. Тяжелые метательные машины – катапульты и баллисты, установленные на колесное основание, позволили войскам штурмовать неприятельские крепости.

Особое место колесо занимает в строительстве и морском деле. Применение колесных блоков позволило поднимать на большую высоту тяжелые строительные элементы. Первые подъемные машины представляли собой систему из веревок, перекинутых через колесные блоки. Чтобы поднять груз на определенную высоту при помощи веревки, переброшенной через блок, приходилось вдвое больше перехватывать саму веревку, но при этом усилие, прилагаемое к веревке, было тоже вдвое меньше. Элементарный физический закон, обуславливающий свойства блока, древним был еще неизвестен, но применению этого приспособления это не препятствовало.

Такими же блоками снабжались паруса кораблей, на которых мореплаватели далекого прошлого открывали неведомые земли. Сочетание канатов – вант, и блоков (не только, кстати, колесных, но и в виде дощечек с прорезями, усиливающих трение веревок о блок и препятствующих самопроизвольному развертыванию паруса) позволило усложнить оснащение кораблей. На смену прямым парусам, действующим только при попутном ветре, пришли косые паруса (они еще называются латинскими), действующим при боковом и даже при встречном ветре.

Колесные блоки способствовали развитию мореходных качеств кораблей. Благодаря блокам матросы могли управляться с парусами большей площади, следовательно, появился смысл строить корабли больших размеров, способных выдержать длительное плавание в неспокойном море.

История изобретения и применения колеса дает ответ и на такой неожиданный вопрос – почему Америку открыли именно европейцы, а не наоборот? Почему американские индейцы не стали первооткрывателями  Европы? Наверное, потому, что уровень их технологий, в которых не было места одной из основополагающих составляющих – колесу, не позволил им достичь соответствующего уровня развития цивилизации.

 
По всем вопросам, связанным с работой сайта, обращайтесь по адресу: webmaster@elcode.ru