Развитие горного дела, металлургии литейного и металлообрабатывающего производств

При мануфактурном производстве на смену сыродутному способу производства железа пришел кричной передел. При этом металлургический процесс стал включать: выплавку чугуна — доменный процесс; чугунолитейное производство — отливка готовых изделий из чугуна; кричный передел — рафинирование чугуна в кричном горне с целью получения ковкого (сварочного) железа; передел сварочного железа в сортовое.

Первые доменные печи (домны) появились в Европе с середины XIV в., а в России — с 1630 г. и работали вначале на древесном угле. Основным их недостатком являлась недостаточная мощность дутья, которая и подверглась совершенствованию в первую очередь. Для дутья в 1620 г. на металлургических заводах Герца в Германии стали применяться деревянные меха, приводимые в действие от водяного колеса, а в 1755 г. английский инженер Джон Вилькинсон для привода воздуходувок доменного производства первый применил паровую машину.

Другим направлением совершенствования доменного процесса был перевод его на минеральное топливо - каменный уголь. Первым заменил древесный уголь на каменный, правда, частично, английский промышленник А. Дерби (отец) в 1708 г., а его сын — в 1735 г. первый применил кокс в доменном производстве. Но окончательный переход на кокс начался лишь с середины XIX в. после налаживания его промышленного производства.

Одна часть полученного чугуна шла непосредственно на отливку изделий, другая использовалась для передела в железо. Передел чугуна в железо осуществлялся на железоделательных заводах, где в коричневых горнах получали крицу, которую для удаления шлаков подвергали проковке на вододействующих молотах. Часть полученного железа шла непосредственно для производства изделий, остальное перерабатывалось в сортовое. Для выделки сортового железа с XVII в. стали применяться вододействующие прокатные станы, а для производства проволоки — волочильные станы. Первый гидравлический волочильный стан был изобретен в Германии еще в 1351 г.

Сталь применялась чрезвычайно редко, в основном для мелких инструментов и дорогого оружия. Существовало три основных способа ее изготовления: плавкой в тиглях, переделом из чугуна в кричных горнах, поверхностным науглероживанием (цементацией) железных изделий в специальных печах. При отсутствии научных основ производства стали в условиях ремесленного производства существовало множество секретов; которые передавались обычно по наследству, а нередко и просто терялись.

В середине 16 в. испанские конкистадоры обнаружили богатые месторождения платины, но были этим не совсем довольны – они искали золото. Однако в дальнейшем этот неизвестный в Европе металл вследствие его высокой плотности стали рассматривать, как потенциальный источник поддельного золота.

Расширялась добыча цветных и драгоценных металлов и получение сплавов. В медеплавильном производстве последовательной плавкой в нескольких горнах выплавлялась медь, которая применялась как в чистом виде, так и в виде различных сплавов: бронзы, латуни, колокольного и подшипникового сплавов. В России получила большое развитие выплавка драгоценных и цветных металлов из полиметаллических руд на Урале и Алтае. С 1740-х гг. на Алтае, на базе Змеиногорского месторождения, которое разрабатывалось с помощью знаменитой вододействующей системы Козьмы Дмитриевича Фролова, на Барнаульском заводе было налажено крупнейшее в России сереброплавильное производство. На заводе в 1751 г. действовало 14 водяных колес, которые обслуживали 22 рабочих механизма: воздуходувные меха, молота, толчеи, пилы и др.

Истинного расцвета получило литейное дело (литье чугуна, бронзы и др. сплавов), особенно в России. В XV в. в Москве открылся Пушечный двордля литья колоколов и пушек, а в XVI появились колокольные заводы в Воронеже, Костроме, Енисейске, Валдае. Замечательными образцами русского монументального художественного литья считаются «царь-пушка» и «царь-колокол».

«Царь-пушка», предназначенная для обороны Кремля, была отлита в 1586 г. русским литейщиком Андреем Чоховым. Ее ствол имел длину 5,34 м, калибр — 890 мм и весил 40 т. Чудом литейного искусства является отлитая из меди в 1588 г. тем же Чеховым стоствольная пищаль с калибром стволов 50 мм.

Как и Чохов, числилась «артиллерии и колокольных дел мастерами» также семья Маториных. «Царь-колокол», отлитый Иваном Маториным и его сыном Михаилом в 1735 гг., весил более 200 т, имел диаметр 6,6 м и высоту 6,14 м. Опыт пушечных и колокольных мастеров пригодился доследующим поколениям металлургов и сыграл важную роль в совершенствовании технологии литья.

Развитие металлургии и резкое увеличение производства металла дало мощный толчок развитию металлообработки и совершенствованию металлорежущего оборудования.

Токарный станок, в свое время возникший как универсальный механизм для вытачивания изделий из дерева и кости, стал находить все большее применение в металлообработке. На рубеже XVI-XVII вв. вышла книга французского ученого Шарля Плюмье «Искусство точения», переведенная в 1716 г. на русский язык по приказу Петра I. В ней был собран и систематизирован опыт, накопленный за это время токарями-ремесленниками разных стран в области обработки резанием различных материалов.

На протяжении XVII в. токарный станок подвергся значительному совершенствованию, которое состояло прежде всего в отделении привода от станка и переходе от мускульного ручного и ножного привода к гидравлическому. Дальнейшее совершенствование было связано с появлением суппорта — основного узла для закрепления и перемещения режущего инструмента.

Особого внимания заслуживает история изобретения суппорта. Это механическое приспособление заменило не какое-либо особенное орудие, а самую человеческую руку, которая создает определенную форму, приближая, прилагая острие режущего инструмента к материалу. Таким образом удалось производить геометрические формы отдельных частей машин с такой степенью легкости, точности и быстроты, которой никакая опытность не могла бы доставить руке искуснейшего рабочего.

Создание механического суппорта положило начало широкому применению станков. Для работы на немеханизированном токарном станке, несмотря на его простоту, необходимо было, помимо чисто профессионального умения, обладать недюжинной силой, чтобы удержать в руках резец при обработке металла. Любое неожиданное отклонение от требуемой формы в результате случайности, какого-то толчка и т. п. зачастую приводило к необходимости перетачивать деталь по всей длине.

К идее механизированного передвижения резца машиностроители шли долго. Впервые эта идея возникла при решении таких технических задач, как нанесение резьбы, сложных узоров на предметы роскоши, изготовление зубчатых колес и т. д. Для получения резьбы на валу, например, необходимо было сначала произвести разметку; этого обычно достигали, навивая на вал бумажную ленту нужной ширины, по краям которой на вал наносили контур будущей резьбы. После разметки вал опиливали по контуру вручную напильником. Это длительный, сложный и трудоемкий процесс; кроме того, получаемое качество далеко не всегда бывало удовлетворительным, так как абсолютное соответствие размеров и форм зубьев резьбы труднодостижимо.

В середине XVIII в. идея механизированного передвижения резца была воплощена в различных конструкциях станков часовых мастеров. Однако все эти станки имели тот недостаток, что они были специализированными и их использование в ведущих отраслях формировавшейся тогда промышленности было затруднительно. Эта техническая проблема могла быть решена созданием универсального станка с суппортом.

В книге А. Тиу (1741 г.) приведено несколько схем токарных станков часовых мастеров. Наиболее сложными для обработки деталями в часовых механизмах были фузеи (изобретенные Леонардо да Винчи). Фузеи имели сложную улиткообразную форму, определяемую опытным путем. Они предназначались для компенсации неравномерности натяжения пружины. Получить вручную эту деталь было сложно, поэтому и были созданы специальные станки. Приведенные в книге станки имеют резцедержатели. Первый станок, помимо шагового винта, снабжен еще и сменными шестернями. Поперечная подача обеспечивается рычажным перемещением резца. Качество изготовления фузеи зависело от опытности рабочего.

С ее помощью резец не только надежно закреплялся, но и механически перемешался в продольном направлении с помощью винта, а в поперечном от копира.

В 1763 г. в Париже была напечатана книга Ф. Берту [3], тоже посвященная часовому производству. В ней приведены две схемы станков часовых мастеров. Оба станка выполнены на весьма высоком техническом уровне, изготовлены из металла, их отличает высокая точность и простота управления.

При работе на фузейном станке, описанном Ф. Берту, квалификация рабочего не имеет большого значения, так как в его функцию входит только привести станок в движение и прижать резец к копиру (одна фузея нарезается в несколько заходов из необработанной болванки). Форма фузеи соответствует форме сменного копира, шаг нарезки определяется углом наклона подающего бруса. Передвижение суппорта с резцедержателем в продольном направлении механическое. Эти станки интересны тем, что они предназначались в основном для обработки металлов и отличались значительной точностью. Кроме того, на них уже обрабатывали серийные детали.

В 1751 г. Жак Вокансон во Франции построил очень интересный станок, который по своим техническим данным уже походил на универсальный. Он был выполнен из металла, имел мощную станину, два металлических центра, две направляющие F-образной формы, механизированное перемещение медного суппорта в продольном и поперечном направлениях. В то же время в этом станке отсутствовала система зажима заготовки в патроне, несмотря на то, что это устройство уже существовало в более ранних конструкциях станков французских часовых мастеров. Заготовка на станке Вокансона крепилась в центрах, доступ к которым был затруднен находящимися с обеих сторон стойками. Неясна система привода вращения и связь ее с системой перемещения резца. Станок сохранился до наших дней (экспонируется в Лувре), но неизвестно, для выпуска каких деталей он предназначался. Можно предположить, что это был специализированный станок, на котором обрабатывались детали одного определенного типа, так как система крепления не предусматривала возможности зажима заготовок разного размера (расстояние между центрами, в которых крепилась заготовка,- около 1 м, а задний центр мог быть передвинут лишь примерно на 0,1 м).

В 1778 г. англичанин Д. Рамедон разработал два тип станков для нарезания резьб. В одном станке вдоль вращаемой заготовки по параллельным направляющим передвигался алмазный режущий инструмент, скорость перемещения которого задавалась вращением эталонного винта. Сменные шестерни позволяли получать резьбы с разным шагом. Второй станок давал возможность изготавливать резьбу с различным шагом на детали большей длины, чем длина эталона. Резец продвигался вдоль заготовки с помощью струны, накручивавшейся на центральную шпонку.

Заслуживает внимания также и станок другого французского механика - Сено, изготовленный в 1795 г. Конструктор предусмотрел сменные шестерни, большого размера винт (длиной более 1 м и диаметром более 50 мм), простой механизированный суппорт. Станок специализированный - для нарезки и доводки винтов. Все части станков Сено и Вокансона имели высокое качество обработки, на них не было украшений, как это было принято делать раньше.

Накопленный опыт позволил к концу XVIII века создать универсальный токарный станок, ставший основой машиностроения. Его автором стал Генри Модсли. В 1794 г. он создал конструкцию суппорта, довольно несовершенную. В 1798 г., основав собственную мастерскую по производству станков, он значительно улучшил суппорт, что позволило создать вариант универсального токарного станка. В 1800 г. Модсли усовершенствовал этот станок, а затем создал и третий вариант, содержавший все элементы, которые имеют токарно-винторезные станки сегодня. При этом существенно то, что Модсли понял необходимость унификации некоторых видов деталей и первым стал внедрять стандартизацию резьб на винтах и гайках. Он начал выпускать наборы метчиков и плашек для нарезки резьб.

Одним из учеников и продолжателей дела Модсли был Р. Робертс. Он улучшил токарный станок тем, что расположил ходовой винт перед станиной, добавил зубчатый перебор, ручки управления вынес на переднюю панель станка, что сделало более удобным управление станком. Этот станок работал до 1909 г.

Деятельность личного токаря Петра I, выдающегося изобретателя, впоследствии первого президента Российской академии наук, Андрея Константиновича Нартова вписана красной строкой в историю техники. Всего этот выдающийся изобретатель создал 13 типов токарных станков, среди которых несколько токар-но-копировальных (1718-29), токарно-винторезный с механизированным суппортом и сменными зубчатыми колесами (1738), а также зубо-фрезерный станок для нарезания зубчатых колес. В своей книге «Театрум Махинарум» он описал технологию изготовления и сборки нескольких десятков станков. Особого рассмотрения заслуживает его вклад в области артиллерии.

Значительному совершенствованию подверглись также сверлильные станки, которые с первой половины XVI в. стали переводиться на привод от водяного колеса. Сначала на них в основном производили рассверливание (растачивание) ружейных и пушечных стволов, потом стали переходить и на выпуск гражданской продукции.

В 1649 г. в Москве на р. Яуза было создано первое в Европе предприятие мануфактурного типа для обработки пушечных стволов, называемое ствольной мельницей. Для рассверливание канала ствола применялись станки двух типов с приводом от водяного колеса. В станках первого типа рассверливание (растачивание) осуществлялось борштангой, которая вращалась с помощью водяного колеса и подавалась сверху вниз канатной передачей. Во втором варианте врашался и подавался сверху-вниз под действием собственного веса сам ствол.

В 1704 г. на станке второго типа с вращающейся заготовкой швейцарец Ж. Мориц-старший первый просверлил канал в сплошной заготовке орудийного ствола, положив начало методу сплошного глубокого сверления, ставшего известным под названием «метод Морица». В 1740-х гг. его сын Мориц-младший, работавший во Франции, вместе со своими коллегами применил для этой же цели усовершенствованный горизонтально-сверлильный станок, предназначенный также для глубокого сверления.

В 1712-14 гг. на Олонецком заводе в России мастер В.И. Гении на базе водсдействующей установки создал станочный комплекс, состоящий из пилы для отрезки прибылей, горизонтально-сверлильного станка и станка для наружной обработки пушечных стволов. В это же время на Тульском оружейном заводе Марк Сидоров на той же базе создал 12-шпиндельные «вертельные» станки для сверления ружейных стволов, которые были улучшены Яковом Батищевым и могли одновременно обрабатывать по 24 ствола. Это были первые в истории многошпиндельные станки полуавтоматического действия.

К концу XVII в. наряду со сверлильными и токарными появились и горизонтально-расточные станки, которые в отличие от специализированных горизонтально-сверлильных станков для ружейного и пушечного сверления были станками универсального назначения. В связи с широким распространением воздуходувных мехов, насосов, а позднее и паровых машин, появилась острая потребность в растачивании их цилиндров. Эту проблему и помог решить указанный тип станков, на которых в принципе можно было обрабатывать и пушечные стволы.