З.Н.Перля

О станках и калибрах

ВСЕСОЮЗНОЕ

УЧЕБНО-ПЕДАГОГИЧЕСКОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО

ТРУДРЕЗЕРВИЗДАТ

МОСКВА 1952

{1}

ОТ АВТОРА

Все машины — это детища машиностроительных заводов. На этих заводах работают металлообрабатывающие станки — те машины, с помощью которых изготовляются части — детали любых машин: паровозов, автомобилей и самолетов, тракторов и сельскохозяйственных комбайнов, турбин и двигателей внутреннего сгорания, всех рабочих машин, в том числе и самих металлообрабатывающих станков.

С помощью станков, созданных советскими инженерами, наш народ сказочно увеличил количество машин на заводах и фабриках и неизмеримо поднял производительность труда в советской промышленности.

В наши дни выдающиеся достижения советских станкостроителей служат прочной базой социалистического машиностроения, помогают советским людям в их победоносном шествии к коммунизму. Вот почему к станкостроению и металлообработке приковано особенно пристальное внимание всех советских людей.

Рассказам о главных изобретениях и усовершенствованиях в развитии станкостроения и металлообработки и посвящена эта книга.

{2}

Часть первая.

О СТАНКАХ

Глава I. ПЕРВЫЙ ПЕРЕВОРОТ

Лук и гибкая жердь

С незапамятных времен, когда люди располагала только каменными инструментами, возникла необходимость в просверливании отверстий в камне для насаживания топора или молотка на рукоятку. Первобытный человек изобрел для этой цели свой «станок». В те времена существовало устройство, которое можно назвать древнейшим «предком» современного станка. Тетива обыкновенного лука обвивалась спиральным кольцом вокруг заостренного стержня, вырезанного из дерева очень крепкой породы. Острие стержня устанавливалось в выбитую в камне выемку, куда подсыпался мелкий песок. Стержень-сверло удерживался на месте и прижимался к обрабатываемому камню с помощью деревянного устройства. Человеку приходилось выполнять роль двигателя и приводить в движение лук. Деревянное сверло вращалось и заставляло твердые частицы песка совершать шлифовальную работу. Выемка углублялась и, наконец, превращалась в отверстие.

С течением времени потребность в обработке материалов возрастала и была уже довольно острой в древние века. В странах древнего Востока — в Греции и Риме — уже существовали приспособления для обработки дерева и гончарных изделий.

К этому же времени относятся попытки создать первые механические приспособления для обработки металла, {3} которая полностью выполнялась вручную. Для обработки внешней цилиндрической поверхности изделия приходилось укреплять заготовку между двумя бабками и, вращая ее, постепенно перемещать инструмент к очередным участкам поверхности.

Древнеримский ученый Плиний утверждал, что еще за четыреста лет до нашей эры известный в то время художник, архитектор и механик Феодор, живший на острове Самосе (Эгейское море), изобрел первое приспособление для механического вращения обрабатываемого изделия (по своему устройству оно представляло грубое подобие переносных станочков с ножным педальным приводом, которое и в наши дни иногда применяется для точки ножей). Утверждение Плиния нельзя считать достоверным. Возможно, что вовсе не Феодором и не на Самосе было изобретено это приспособление. Но до нашего времени сохранились предметы древнегреческого происхождения с изображением таких устройств. Поэтому следует считать, что уже в те отдаленные времена возросший спрос на изделия из металла вызвал потребность в увеличении производительности и улучшении качества металлообработки, и в этой области произошло очень важное изменение — переход к механическому вращению обрабатываемого изделия.

Изобретение, которое Плиний приписывает Феодору, резко подняло производительность труда в обработке металла и настолько удовлетворило небольшие потребности того времени и последующих веков, что без каких-либо решающих изменений просуществовало больше двух тысяч лет.

Но попрежнему нужно было высокое мастерство для изготовления изделий со сложными очертаниями и точными размерами, хотя оно, это мастерство, уже могло быть не столь изощренным, не столь тонким — оно стало доступным для более широкого круга умелых людей.

Почему же так медленно улучшалась техника обработки материалов в те отдаленные времена?

В древние и в средние века пути сообщения между странами и между населенными пунктами внутри стран были плохими. Трудно было доставлять изделия, изготовленные в каком-либо городе или стране, в другие города и страны. Поэтому отдельные ремесленники рассчитывали свое производство лишь на местный, очень {4} ограниченный спрос. В древние века в распоряжении ремесленников-хозяев была бесплатная рабочая сила — рабы, которых можно было заставить работать неограниченное время, изнурять самым непосильным физическим трудом. За счет рабского труда рабовладельцам удавалось удовлетворять ограниченный спрос на продукцию производства. Значит, с их точки зрения, не было нужды в каких-либо особых улучшениях техники этого производства. А рабы-рабочие тоже не были заинтересованы в том, чтобы улучшать технику, вносить в нее усовершенствования — ведь они были собственностью, рабочим скотом своего владельца. Их тяжкий труд был подневольным и бесплатным; внесенные ими улучшения в технику также принадлежали их господину и нисколько не улучшали их положения. Если на каком-нибудь участке благодаря техническому новшеству работа становилась легче и отнимала меньше времени, то рабовладелец использовал своих рабов на другой тяжелой работе. Поэтому при рабском, подневольном труде техника и не могла совершенствоваться, даже если бы увеличился спрос на различные изделия.

В средние века положение мало изменилось. Вне городов царило почти такое же рабство, как и в древние века. Крестьяне по сути дела были собственностью владетелей-феодалов, их труд также был подневольным, рабским. Пользуясь таким трудом, феодалы обеспечивали свои потребности без внесения каких-либо серьезных, решающих изменений в технику орудий труда. Только в городах образовалась небольшая прослойка свободных ремесленников, которые по характеру своего ремесла объединялись в союзы — «цехи». Каждый мастер-ремесленник владел небольшой мастерской, в которой работали один-два подмастерья (будущие мастера) и один-два ученика. Производство было рассчитано главным образом на потребности жителей города и ближайших окрестностей. Не было нужды в особом расширении производства. Значит, не возникало и потребностей в резком улучшении техники для увеличения производительности мастерской.

Все же, хотя и медленно, расширялся торговый обмен и развивались средства сообщения между городами и странами Европы. Так же медленно улучшалась и техника обработки материалов. {5}

В средние века человек научился обрабатывать поверхности цилиндрических изделий (ступицы колес). Такая обработка осуществлялась с помощью примитивного устройства, которое также следует отнести к предшественникам современного токарного станка.

Под потолком мастерской укрепляли гибкую пружинящую деревянную жердь. На конец жерди привязывали веревку, спускали ее вниз и обвивали один раз вокруг валика. Нижний конец веревки крепили к деревянной доске — педали. Когда рабочий нажимал ногой на педаль, веревка вращала валик с изделием по направлению к рабочему и оттягивала жердь книзу. Но жердь пружинила, сопротивлялась оттягиванию и, как только рабочий отпускал педаль, тянула веревку кверху и вращала изделие в обратную сторону.

Рабочий держал режущий инструмент в руках. Когда изделие вращалось в сторону рабочего, инструмент врезался в материал и снимал стружку. При обратном вращении инструмент не работал.

По сути дела этот «станок» почти не отличался от первобытного устройства для сверления дыр в камне. Вся рационализация на протяжении многих столетий свелась к замене лука гибкой жердью с веревкой, а вращение осуществлялось не рукой, а ногой. Но и для рук оставалось достаточно работы.

Чтобы удерживать инструмент в одном положении и соблюдать хоть какую-нибудь точность обработки, токарю приходилось затрачивать огромные усилия. Обрабатывая всю поверхность изделия, он постепенно и равномерно перемещал резец, опирая его на особое приспособление — «подручник». На это также тратилось немало сил.

Такие станки, с очень малыми скоростями вращения, позволили обрабатывать только мягкие материалы — дерево или гончарные изделия. Изделия же из металла получались грубые, не точные по размерам, обработка шла медленно. Поэтому в те времена металл обрабатывался чаще всего кузнечным молотом, реже — зубилом.

*  *  *

Завоевание и ограбление колоний в XV и XVI столетиях послужили началом образования крупных капиталов в Европе. А вывоз промышленных изделий в колонии {6} способствовал расширению производства, развитию первых капиталистических предприятий — «мануфактур». В современной обиходной речи это слово служит общим названием изделий текстильной промышленности. Но в XVI—XVIII столетиях это слово имело другое значение. Мануфактурами назывались крупные по тому времени капиталистические предприятия, основанные главным образом на ручном труде: торговец-скупщик собирал в одном производственном помещении ремесленников, которым он раньше давал работу на дом. Такое предприятие было первой формой промышленного капитализма, но оно еще не было ни заводом, ни фабрикой — ведь труд ремесленников на мануфактуре все же оставался преимущественно ручным.

Уже к началу XVI столетия возросший спрос на изделия промышленности привел к увеличению числа и к некоторому техническому усовершенствованию мануфактур. Улучшалась и техника обработки металла. Появлялись новые средства для вращения обрабатываемых изделий. Веревку с педалью заменило отдельно установленное маховое колесо, которое приводилось в движение руками человека. От этого колеса вращение передавалось на валик станка с помощью ремня. Такие станки для обработки дерева были известны уже в XVI веке.

Колесо очень долго оставалось средством вращения вала станка. Менялись только источники энергии, приводившие колесо в движение. Энергия человека была заменена работой лошади. Шагом вперед было изобретение «ступального» колеса. На окружности такого колеса располагались ступени. Лошадь — «двигатель» — переступала по этим ступеням и заставляли колесо вращаться. От вала колеса вращался вал станка с закрепленным на нем изделием. На смену ступальному колесу пришло водяное колесо. Оно вращалось от давления на лопасти колеса падающей струи воды. Скорость вращения стала достаточной для обработки металлических изделий.

К XVII столетию относится появление устройств для обработки внутренней поверхности орудийных стволов. Огромная штанга со сверлильным инструментом являлась продолжением оси колеса и вращалась вместе о ним. Приспособление в виде системы блоков с веревками {7} заставляло обрабатываемый ствол «наползать» на сверлильный инструмент, который и растачивал внутреннюю поверхность канала орудия. Такое устройство вовсе не обеспечивало точности, — оно, в сущности, и не являлось станком.

При обработке наружных цилиндрических поверхностей резец попрежнему продолжал оставаться в руках рабочего. Поэтому токарная обработка металла не улучшалась, а была такой же грубой и неточной. Для плоских и фасонных поверхностей, для расточки отверстий в металлических изделиях никаких станков не существовало вовсе.

Мастер из навигацкой школы

Стоял погожий, солнечный день лета 1709 года. Из открытых окошек «навигацкой школы», разместившейся в большом крыле хмурого здания Сухаревой башни в Москве, доносился смешанный гул многих голосов, стук, скрежет, визгливое жужжание инструментов. Сквозь все эти шумы вдруг прорывались резкие выкрики на русском языке с иностранным акцентом. А на площади перед зданием шел развод караула преображенцев — гвардейцы Петра Великого четко печатали шаг, маршируя от поста к посту, и каждый раз, когда развод уходил дальше, на месте оставалась точно изваянная из камня, застывшая в суровой неподвижности фигура часового. Первая русская техническая «Школа математических и навигацких наук» была основана Петром I в 1701 году. Сотни русских юношей, отобранных из наиболее способной молодежи, изучали в этой школе математику в приложении ее к кораблевождению и механике.

Сегодня — особый, ответственный день: все в школе — руководители и ученики — ждут посещения царя, самого строгого экзаминатора для учеников, самого взыскательного контролера для руководителей. Петр уделял много внимания навигацкой школе, знал ее способных учеников, следил за их успехами, присматривался к особо выдающимся юношам.

В школе сегодня все начищено, все блестит, очень строго соблюдается порядок в учебе и в работе. Особенно это чувствуется в мастерской. Петр сам был большой охотник до станочных работ, имел свою собственную мастерскую и, заглядывая в школу, первым делом наведывался к токарям, интересовался их работой, {8} спрашивал о новых изделиях, о частях к астрономическим и навигационным приборам.

Руководит мастерской недавно назначенный, еще молодой мастер Андрей Нартов. Несколько лет назад Петр обратил внимание на способного юношу, стремящегося к знаниям, умевшего мастерить вещицы из дерева, кости, металла, проявлявшего при этом особую сноровку и мастерство. За эти способности и попал он учеником в навигацкую школу, в ее токарную мастерскую, и очень скоро сравнялся со своими учителями — старыми мастерами — и даже превзошел их.

Его изделия удивляли учителей школы качеством и точностью обработки. Все чаще стал он помогать товарищам, учить их работать так, чтобы и они смогли добиться успеха. И такими выдающимися были его знания и мастерство, так хорошо умел он передавать их другим ученикам-механикам, что начальство сделало его старшим в мастерской.

Вечером, накануне приезда царя, к мастеру Андрею Нартову заявились учителя-иностранцы и строго-настрого наказали навести порядок в мастерской, закончить и выставить на видное место новые изделия из кости и металла, научить токарей, как отвечать царю.

Мастер кивал головой, обещал все сделать как можно лучше, а сам думал свою думу. «Царь приедет. Как раз во-время. Он, мастер Нартов, покажет ему кое-что получше новых изделий. Царь — сам токарь, он поймет и поможет. А то иностранцы-учителя почти не слушают Нартова, только пыжатся, морщатся и нетерпеливо отмахиваются руками от молодого, настойчивого мастера. Правда, в последний раз, они как будто внимательно стали слушать его, даже переспрашивали, переглядывались между собой. Затем пошли в мастерскую, посмотрели, потрогали то, что показал им Андрей. В конце концов, все же запретили продолжать работу, сказали, что ничего не выйдет, да и нужды нет, чтобы вышло».

Но Андрей не сдался, затаил в себе упорство — во что бы то ни стало доведет он до конца начатое большое дело.

И не знал Нартов, что в тот вечер, когда он в последний раз рассказывал о своем деле иностранцам, в немецкой слободе встретили они немца Зингера — механика из личной мастерской царя — и долго с ним говорили и рисовали ему то самое, что Андрей показывал. {9}

Разговор был серьезный. Учителя в чем-то убеждали Зингера и, наконец, тот утвердительно кивнул головой, задымил трубкой.

А на другой день Зингер побывал в Сухаревой башне, зашел в мастерскую, ласково поговорил с Андреем, расспросил о том, о сем, похвалил и как бы невзначай подошел к его станку, потрогал его части и ушел.

Дело к царю у Андрея было большое, очень важное. Уже давно был он недоволен «махинами» в своей мастерской. Две стойки, скрепленные толстой доской, на них — две «бабки» из кости. Между бабками — вал, на нем — изделие. Текучей воды близко не было, значит и вододействующих колес не было. Приходилось вертеть вал и работать так, как это делалось в глубокую старину.

Изделия получались грубые, не точные по размерам, обработка шла медленно. Правда, попадались и такие «махины», в которых устраивались особые передвижные подпоры для резца. Их называли «подручниками». С ними было немного легче работать, но Нартову это казалось недостаточным.

Лучше было бы сделать так, чтобы резец зажимался в подручнике и чтобы токарю вовсе не приходилось держать инструмент в руках, — сделать подручник частью «махины», которую можно было бы вместе с резцом подавать к заготовке и перемещать вдоль нее настолько точно, насколько это требуется токарю.

Нартов хорошо представлял себе, как осуществить эту идею. Но для этого требовалось много времени, много всякого материала, а главное — согласие большого начальства. И тогда он решил смастерить пока передвижной подручник с приспособлением — держателем для резца, приладить к «махине» рукоятку и хитро соединить ее с колодкой подручника. Стоило только повернуть рукоятку — и колодка с подручником скользила своим выступом по канавке в основании «махины».

Это свое новшество и показал тогда Андрей учителям-иностранцам, его же он решил показать и царю.

А теперь он ждал царя в мастерской. Всюду чистота и порядок. Токари прилежно трудятся. Едва услышали они, что прогремели у подъезда колеса царского возка и закричали конюхи, уводя лошадей, как Андрей обомлел всех токарей, каждого поправил, проверил его {10} работу, осмотрел изделия и отошел к своей «махине». На ее валу надета заготовка кольца — обода для компасной коробки. Сам царь заказал их много, требуя немедля изготовить. Но времени дал в обрез — всего десять дней на двадцать колец. И знал при этом царь, что кольца — изделия трудные, что не всякий токарь с ними справится в такой короткий срок.

У Нартова «махина» уже налажена к работе, его чудо-подручник стоит на своем месте, у самого кольца, и в нем зажат резец. Мастер еще и еще раз поворачивает рукоятку, проверяет движение подручника. Он так увлекся этим занятием, что даже не услышал громкого людского говора, донесшегося из сеней мастерской. Но вот двери распахнулись, и в токарню вошел царь. С ним много людей, с ним и Зингер.

Андрей вздрогнул и как-то растерянно посмотрел на вошедших, затем пустил свой станок и взялся за рукоятку винта.

Уже потом, когда царь уехал, он вспоминал, как медленно, ему казалось, тянулось время, пока приближались тяжелые шаги. Затем он почувствовал, что кто-то остановился за его спиной. Наступила тишина, умолк говор людей, прошла минута, другая... Стружка за стружкой сбегала с заготовки кольца и вдоль нее все дальше и дальше уходил подручник, делая свои точные, но почти не заметные для глаза «шаги».

— Сам придумал? — раздался над его головой голос царя.

— Сам, ваше величество, — ответил Андрей, но почти не расслышал своего ответа. Затем последовали вопросы царя к Зингеру и ответы немца, увертливые, угодливые. «Да, он, Зингер, слышал уже о таком приспособлении, но не вводил его, так как считает его не вполне удачным, у него оно задумано лучше. Скоро он его изготовит и покажет».

— Ну, ты еще покажешь, а вот Андрюшка Нартов уже показал! — произнес царь и тут же спросил: — А кольца компасные будут готовы к сроку?

И тогда, набравшись храбрости, Нартов тихо, но твердо сказал:

— Сам сделаю за три дня.

И помнит Андрей, как, удивленные, умолкли все. {11}

И снова сказал царь:

— Ну, смотри, сделаешь, не забуду.

*  *  *

Царь уехал. В этот день начальство школы косилось на мастера Андрея Нартова, а у него было весело на душе. Конечно, он выполнит свое обещание царю и даже в более короткий срок. Уже восемь колец он изготовил и завтра к вечеру, пожалуй, вся работа будет закончена. Царь обещал не забыть его, и в награду он будет просить разрешения построить новую, еще небывалую «махину» для токарного дела.

Но царь не сразу вспомнил об Андрее Нартове. Много у него было великих забот в те трудные годы.

Прошло больше двух лет. Попрежнему работал Нартов в токарне навигацкой школы, попрежнему трудился над усовершенствованием своего механического помощника для токарей. И под конец этого срока добился нового успеха — его передвижной подручник превратился в главную, самую важную часть станка, которую изобретатель назвал «держалкой». По направляющим плоскостям, как по рельсам, скользила колодка — каретка с зажатым в ней резцом. Благодаря такому приспособлению токарю уже не приходилось держать в руках резец, напрягаться, уставать — он только управлял «держалкой». Остроумно задуманные механизмы нового приспособления делали «держалку» самоходной и давали возможность точно, быстро и равномерно перемещать резец вдоль и поперек обрабатываемого изделия, подавать его в тело детали на определенную глубину, снимать стружку заданной толщины.

Так в нашей стране произошло величайшее событие, первый переворот в технике металлообработки — инструмент «ушел» из рук рабочего, переместился в станок и стал исполнительной частью его устройства.

В 1712 году Нартова неожиданно вызвало начальство и объявило ему приказ царя: токаря Андрея Нартова отослать на постоянную работу в царскую токарню. С этих пор выдающийся русский механик еще больше углубился в решение той технической задачи, которую он давно себе задал — не только освободить руку токаря от инструмента-резца, но и автоматизировать рабочее движение инструмента. {12}

Несколько лет проработал Андрей Нартов в токарне царя. И все эти годы настойчиво продолжал он улучшать свое изобретение. Он был очень требователен к себе, к своей работе. То, чего, он добивался, еще не получалось. Зингер, которого Нартов уже давно обогнал в тонком искусстве механика и токаря, участливо расспрашивал его о трудностях, предлагал свою помощь, всячески старался проникнуть в то сокровенное, что таил и вынашивал в себе изобретатель.

В 1718 году царь послал Нартова за границу и дал ему много важных поручений по механическому делу.

Только через два года он вернулся в свою мастерскую. И тут узнал Андрей, что не успел он пересечь границу, как Зингер начал строить новую «махину» для изготовления фигурных изделий. В устройство этой махины он пытался ввести все то, о чем еще в навигацкой школе Нартов рассказывал учителям-иностранцам, о чем нет-нет, а прорывались у него отдельные мысли вслух.

Но у немца ничего не получилось, работа в самом начале остановилась, заглохла...

Нартов решил довести задуманное до конца и осуществить, наконец, уже оформившиеся в его сознании механизмы будущей махины. Еще девять долгих лет упорного труда, непрерывных творческих исканий понадобились ему для решения этой задачи. И вот в 1729 году плавно и точно заработали механизмы новой махины — нового станка.

Как и первое творение Нартова, новая махина была копировальным станком, в котором работали две каретки: Одна из них в своем движении следовала по контуру предмета, подобие которого нужно было изготовить. При этом самые незначительные изменения профиля предмета передавались второй каретке и зажатому в ней инструменту-резцу, который воспроизводил все движения первой каретки и вытачивал из металлической заготовки точную копию образца. Нартов сумел добиться того, что каретка с резцом передвигалась вдоль будущего изделия без какого-либо воздействия токаря на ее механизм, то есть автоматически. Впервые в устройство станка был введен ходовой винт, который до сих пор служит основной деталью токарно-винторезных станков. По этому винту, если он вращался, ходила каретка {13} «держалки». Изобретатель сделал держалку самодействующей, добился того, чтобы ходовой винт вращался и плавно передвигал ее вдоль изделия автоматически — от работающего шпинделя станка.

Токарно-копировальный станок Л. К. Нартова (1718-1729 гг.)

В те времена винты изготовлялись вручную. Кропотливо и долго вырезал металлические витки опытный, высококвалифицированный мастер. Очень дорого обходилась работа. И все же винты получались грубые, недостаточно точные, с неровным шагом.

На станке Нартова можно было осуществить механическое изготовление точных винтов: равномерно перемещающийся резец точно вырезал в металле винтовые канавки. Станок Нартова стал не только токарным, но {14} и винторезным. В наши дни такой станок так и называется токарно-винторезный.

Поперечного движения держалки не требовалось. Вся средняя часть станка с его валом-шпинделем с образцовым изделием и обрабатываемой заготовкой качалась в обе стороны так, что будущее изделие попеременно та придвигалось к резцу, то отодвигалось от него. Это зависело от того, какое движение, в каком направлении совершала первая каретка, которая следовала по контуру образцового предмета.

Так было завершено первое из крупнейших изобретений XVIII столетия.

Изобретенная Нартовым новая деталь механизма металлообрабатывающего станка — «держалка», — полностью освободившая руки рабочего от инструмента и положившая начало автоматизации процесса обработки металла, впоследствии вошла в историю техники под названием супорта.

Успехи русских механиков-станочников того времени не были случайными. В 1719 году тот же Нартов, будучи в заграничной командировке, писал Петру I из Лондона: «Здесь таких токарных мастеров, которые превзошле российских мастеров, не нашел, и чертежи махинам, которые ваше царское величество приказал здесь сделать, я мастерам казал, и оные сделать по ним не могут».

Это подтверждается и фактами, изложенными в следующем рассказе.

Солдат Ораниенбаумского батальона

Было это в Туле, летом 1714 года, в самый разгар войны со Швецией, когда все больше и больше фузей (ружей) нужно было для русской армии.

Солдат Ораниенбаумского батальона Яков Батищев пришел в этот город мастеров-оружейников с пакетом для местного начальства. Бродил солдат по городу, приглядывался к новому месту, к новым людям, как живут, что делают.

Раскинувшийся на берегу реки Упы большой оружейный «двор» (завод) был изрыт, завален камнем и лесом. Возводились кузницы, мастерские, амбары. Вдоль реки неровной лентой тянулась пыльная улица оружейной слободы — здесь жили и работали туляки-кузнецы, {15} их отцы и деды. От поколения к поколению передавалось изощренное ручное мастерство замочников и ствольщиков, изготовлявших эти основные части старинных пищалей, а ныне — фузей; здесь же жили и работали палашные мастера, которые теперь трудились не только над палашами для петровских драгун, но и над ружейными штыками и солдатскими тесаками.

Многих из туляков из собственных домашних мастерских погнали на оружейный двор работать под присмотром царских мастеров. Другие еще домовничают по-старинке, но и им приказано ответ держать за свою работу перед царскими старостами, сдавать свои изделия «казенным» приемщикам. И горе мастеру-оружейнику, если не выдержаны строго заданные размеры ствола или другой важной части, если присланное в армию оружие оказывалось негодным, если отказывал при выстреле замок или разрывался ствол. На голову виновных обрушивалась вся сила суровых законов, а на мастера, чье клеймо стояло на ружье, — самое тяжкое наказание — казнь.

Вот и теперь навстречу Батищеву двигалась процессия — шло двое караульных, а между ними, понурив голову, брел человек. Когда они поравнялись, Батищев увидел: у человека рабочие, мозолистые руки связаны назад. У порогов своих домов стоят туляки-оружейники, мастера да подмастерья, ученики. Они провожают арестанта сочувственными взглядами, хмуро, негромко разговаривают между собой.

Батищев остановился около группы взволнованных мастеровых и расспросил, кого ведут, за что взяли. И поведали ему туляки-оружейники о царском комиссаре Чулкове, который по-звериному лют и даже за небольшое упущение взыскивает плетьми. А за разорвавшееся ружье, правда, уже не казнит — умелых мастеровых людей ведь мало, ими — по царскому наказу — дорожить приходится. Таких оружейников посылает на уральские заводы, на каторжную подневольную работу в подземельях пушечных заводов. Вот и эти — указали на караульных — ведут одного из таких опальных мастеров.

А в чем его вина? Стволы фузей ведь обрабатываются вручную. Царь требует фузей больше, да больше; мастеров подгоняют, понукают, скорее, мол, работайте, меньше отдыхайте, а то мало даете фузей. {16}

Человек есть только человек и, когда устанет после многих часов изнурительной работы, нет-нет, а сдерет пилой в каком-нибудь месте побольше железа. Сделается ствол в этом месте потоньше, не выдержит выстрела, разорвется.

Хорошо еще, что многоопытный тульский мастер Марк Васильевич Сидоров — в помощь кузнецам-оружейникам — придумал махины для рассверливания отверстий в стволах. А ведь стволы нужно не только рассверливать, но и точно отделывать внутри и снаружи, а это до сих пор приходится делать вручную, пилами.

Очень заинтересовали Батищева рассказы туляков. Как делают мастера-оружейники части ружья? Какие-такие махины построил Марк Сидоров, о котором они хранят столь добрую память? Стал солдат задавать тулякам один за другим все новые и новые вопросы. И тогда вызвался один из них, да и другие согласились помочь, повести служивого человека по оружейному двору, показать ему тяжелый труд их умелых рук, да и кстати — новые «вертельные» махины, что сверлят отверстия в стволах.

Заглянули в один амбар, в другой — кузнецы ковали железные полосы — доски, «били» их «на стволы», искусно придавали полосам форму узких желобов; это были продольные половинки будущих стволов. Затем сваривали по длине кромки двух половинок, превращали их в толстостенную трубку с еще очень неточным продольным отверстием внутри.

Зашли в большое строение. В длинный широкий сарай через стену входил вал, вращающийся от водяного колеса. На валу — большое маховое колесо, а с обеих его сторон еще по два малых колеса. Передача ремнями от большого колеса к малым заставляет их вращаться, а с ними вращаются и отходящие от них длинные валы. На эти валы надеты точильные камни. У каждого камня — мастер; в руках у него ствол, надетый на длинный стержень. Мастер держит изделие за торчащие из него концы стержня, прижимает его к точилу, снимает металл, затем поворачивает ствол, еще раз прижимает к точилу, передвигает изделие и опять стачивает поверхность. Каждый раз отнимает ствол от камня, тщательно осматривает обработанное место. Работа идет медленно, крупинки металла впиваются в кожу, в глаза, каменная пыль забивает легкие. Люди быстро изнуряются, чахнут. {17}

Тут же в другом отделении строения то же самое делают другие мастера, но не на точилах, а обыкновенными пилами — «обтирают» стволы; здесь работа идет еще медленнее.

Батищев жалел мастеровых людей, глядя на их изнурительный труд. Снова заговорили все разом его провожатые. Ведь вот на этой самой работе и случалось самое плохое — часто не удавалось сделать стенку ствола ровной по толщине и... лютовали царские старосты, губили мастеров.

И тогда еще больше захотелось Батищеву увидеть те удивительные махины, что избавили туляков от самой тяжкой ручной «вертельной» работы, от рассверливания вручную точных по размеру отверстий в стволах.

Повели солдата в еще недостроенный амбар побольше да повыше — в два настила. В нижнее помещение от трех водяных колес проходили три рабочих вала. На каждом — большое зубчатое колесо, а от этого колеса вращаются две шестерни, от них — два вала, а на этих валах еще по четыре зубчатых колеса, от которых вращаются еще двадцать четыре шестерни с рабочими валами. Все три водяных колеса приводили в движение 72 таких вала. А из торца каждого из них торчит длинный прут «сверлак» с особо твердыми режущими гранями на конце.

Против каждого сверла на обеих подпорах уложена и закреплена на скользящей рамке изготовленная кузнецами заготовка ствола. С помощью особого устройства мастер подавал эту заготовку на вращающийся сверлак — железная трубка как бы наползала на инструмент, на всю его длину. Просверлив ствол, меняли инструмент на сверлак большего размера и еще раз рассверливали трубку. 23 раза меняли инструмент, пока, наконец, получался ствол требуемого размера. И все же работа шла во много раз скорее, чем при ручном сверлении, и легче было ее выполнять.

По царскому указу два года назад начали строить оружейный двор, а в нем — амбары для махин Сидорова. Сам он и строил все это, готовился улучшать свои махины, измыслить новые для Других трудных работ. Царь указал покончить с деланием фузей по домам, переходить мастерам на оружейный двор, делать ружья с помощью новых махин. Но нет теперь Сидорова, умер {18} он с месяц назад, и не находится такой другой мастеровой человек, который сумел бы помочь тулякам-оружейникам в их трудном и столь важном для отечества деле.

Как зачарованный глядел Батищев на валы и шестерни, на все устройства махины, точно увидел что-то долгожданное, заветное. Долго, не произнося ни слова, разглядывал махину, наблюдал за ее работой. Раз, другой обошел ее, ближе разглядел отдельные части; там, где наползал ствол на сверлак, задержался, покачал головой, улыбнувшись каким-то своим мыслям...

А туляки-провожатые уже повели его в следующее строение. Здесь мастера «шустовали» отверстия в уже высверленных стволах. Это был особо тяжкий труд, требовавший от оружейника много сил, упорства, кропотливого изощренного мастерства. Длинный прут с насечками на конце вводился в отверстие; медленными, очень точными, продольными и вращательными движениями мастер выглаживал стенки отверстия, придавал им гладкость и правильность. На эту работу, самую трудную, уходило еще больше времени, и царские старосты не переставали понукать мастеров, стращать их наказаниями за нерадивость. Но ведь не было на них вины: человеческие руки, самые искусные, не могли делать эту работу быстрее — и здесь нужны были махины, такие же, как и «вертельные» сидоровские, но... не было теперь такого человека, который мог бы их измыслить и построить.

С великим вниманием слушал все это Батищев, приглядывался к работе мастеров-шустовальщиков, к их движениям, ухваткам, что-то соображал. Под конец перестал слушать, задумался. Сосредоточенным взглядом смотрел поверх людей, куда-то вдаль, будто видел перед собой что-то только ему понятное, ясное.

С трудом оторвался от своих мыслей. Больше уже и не было на что глядеть. Поблагодарил Батищев туляков-мастеров, простился с ними. Снова пошел он по улице оружейной слободы, думал свою думу.

С молодых лет любил Батищев всякое ручное мастерство, любил придумывать в помощь себе разные механические устройства. Да вот уж много лет, с тех пор, как взяли его в царево войско, не к чему было приложить свои умелые руки да заветные мысли о все {19} новых и новых устройствах, облегчающих и, ускоряющих труд мастеровых людей.

Вот и теперь, поглядел он на махину Сидорова, думает: хороша она, большую пользу приносит оружейному делу, да и ее можно сделать лучше, сделать так, чтобы еще скорее шла на ней работа. Думает он и о том, что силой воды — через колеса, валы, да шестерни — можно заставить инструмент не только сверлить, но и обтирать стволы снаружи и шустовать их внутри; можно заставить махину — ее инструмент — делать все те движения, какие должна делать рука мастера. И работа пойдет не только быстрее, но и точнее — махина ведь не устанет, ее «рука» не дрогнет, не ошибется.

Шел по улицам солдат, разыскивал начальство, чтобы сдать пакет, и все больше разгоралось в нем смелое желание взяться за достройку оружейного двора, за улучшение махин Сидорова, да измыслить и построить еще и новые махины для обтирания и шустования стволов.

Расскажет он царским приказчикам, кто он, откуда, как и когда дошел до мастерства, возьмет на себя великий ответ перед начальством за дело, о котором просит. И неровен час — ведь в Туле никого другого нет для этой работы — могут оставить его здесь, поручить ему закончить великое дело, начатое Сидоровым. И дружно помогут ему туляки-мастера справиться с задачей — поймут они, что трудится он для них же, чтобы сделать их работу быстрой, точной и не такой тяжелой, чтобы как можно больше добрых фузей получало войско русское в борьбе со шведами.

Так и сделал солдат Яков Батищев.

А в пакете, что передал он начальству, был приказ комиссару Чулкову: срочно разыскать умелого человека для замены Сидорова, для улучшения и ускорения делания фузей. И так велика была нужда в этом, что доверились царские приказчики бывалому солдату и поставили его старшим на достройке завода, позволили ему трудиться над изготовлением новых махин для отделки ружейных стволов.

*  *  *

Прошло всего лишь шесть месяцев. В морозный январский день 1715 года к небольшому деревянному {20} строению — к мастерской Батищева — один за другими подъезжали нарядные сани с важными гостями. Сам царский комиссар, стольник Чулков, и с ним много других персон из тульского начальства приехали поглядеть на чудо-махину, построенную солдатом Батищевым, махину, которая якобы, если не врет солдат, заменит нескольких мастеров-оружейников на трудной работе по «обтиранию» стволов (по их наружной отделке) и чуть ли не в десятки раз ускорит эту работу. Гости плохо разбираются в механике, в махинах, но хорошо знают, что царь Петр требователен и грозен, за недодачу ружей взыщет с них, с начальства, и за нерадивость и за нерасторопность. А ведь такая махина, если она и впрямь чудесно ускоряет работу, не только спасет их от гнева царя, но принесет именно им и чины и награды. Ведь солдату и не надо ничего. Рубль серебром кормовых денег в месяц — вот и вся его награда.

С такими мыслями входили гости в низкую дверь амбара, усаживались на скамейки, специально поставленные вдоль стен.

Посреди амбара стояло сложное сооружение из дерева и железа. Гости увидели, что в центре махины друг против друга с одной стороны брусок с насеченными на его вогнутой поверхности зубьями, а с другой— ствол; он был надет на длинный стержень и закреплен на нем. А рядом с махиной, от центра большого колеса, отходил толстый вал и от него — через особое устройство — протянулись две тяги: одна к бруску, другая — к подвижной рамке со стволом. Стоял у своей махины солдат Батищев и ждал приказания начать работу.

Махнул платком комиссар. Насторожились важные гости, старосты, все, кто вошли или украдкой втиснулись в амбар. Батищев отдал начальству поясной поклон, затем передвинул одну из рукояток своей махины. Плавно двинулась с места рамка со стволом и точно навстречу подался к ней тяжелый пильный брусок, прижался к поверхности изделия; движение продолжалось, теперь ствол, прижатый к бруску, двигался вперед и назад и в каждый проход снимались с одного участка все неровности; тут же особый механизм поворачивал ствол вокруг его оси и начиналась обработка другого, следующего продольного участка поверхности. {21}

Мелкая стружка сыпалась на пол мастерской, а Батищев похаживал у махины, внимательно, спокойно наблюдал за ее работой; останавливал ее, осматривал стволы, снова пускал, поглядывал каждый раз на лица знатных гостей, полные напряженного любопытства и нетерпеливого ожидания, и на своих подручных, мастеров разных специальностей, помогавших ему в трудном деле постройки махины. Они стояли в углу амбара отдельной кучкой, смотрели на Батищева и на его махину, и в глазах их можно было прочесть радостную надежду на облегчение их тяжелого труда.

Вот еще раз остановил Батищев махину, тщательно осмотрел ствол, снял его, положил на рядом стоящий стол. Обернулся к начальству, поклонился в пояс, доложил, что «обтирание» ствола закончено.

Всей гурьбой придвинулось начальство. Гости и старосты недоверчиво брали в руки ствол, смотрели пристально, приближая к глазам, проводили пальцами по еще теплой поверхности, отдаляли от глаз, смотрели вприщур на линию поверхности и... не верили своим глазам, пальцам. То, что раньше делалось мастером за двенадцать часов тяжелой, кропотливой работы, на их глазах было сделано за полтора часа. А в работе нельзя найти ни одного недостатка, ни одного недогляда, все сделано отлично. И все это благодаря махине, которая, точно в сказке, помогла своему создателю справиться с, казалось бы, невозможным делом.

Согнав с лица выражение торжества и радости, царский комиссар стал строго допрашивать Батищева. Сколько таких махин и когда он изготовит? Что ему надобно для этого? Обучены ли у него другие мастера умению работать на этой махине? И, главное, какие еще махины и для каких работ сможет он измыслить и построить для царева оружейного двора?

За сделанное не благодарил. Ведь солдату и так положено царю служить верой и правдой изо всех сил. А рубль кормовых денег в месяц — это ли не награда? Да еще и старшим его сделал над другими мастерами,— вот ему и почет. Отписать же высокому начальству в столицу надо — пусть знают о мудром солдате, может пригодится он и для других царевых дел.

Батищев отвечал на все вопросы коротко, дельно. Доложил комиссару, что махина эта только для пробы, что {22} сделает он ее еще лучше. Теперь она заменяет руки одного рабочего, но работает быстрее во много раз, а он, Батищев, уже знает, как ее устроить, чтобы обтирались в одно время 12 стволов, чтобы махина заменяла 12 мастеров и стала «многорукой», чтобы она в сутки обтирала в 192 раза больше стволов, чем один мастер вручную. И еще обещал Батищев улучшить махины Сидорова, сделать так, чтобы и они стали «многорукими», чтобы и на них сразу обрабатывалось по нескольку стволов. А главное, взялся он измыслить и построить махины для самой трудной и долгой работы, для шустования (отделки) внутренней поверхности стволов.

Теперь-то уж твердо верили ему и комиссар и все знатные люди. Верили, что нечего им страшиться царского гнева, что пройдет немного времени, и махины Батищева крепко помогут русским полкам в их борьбе против шведов.

*  *  *

Солдат Яков Батищев выполнил свое обещание, данное начальству. Очень скоро заработали на Тульском оружейном дворе его махины-станки, на которых одновременно обтиралось по двенадцать стволов. Другие махины, очень похожие по устройству на обтиральные, «чистили»— отделывали наружные поверхности и при этом обрабатывали восемь стволов одновременно.

Механические пилы быстро зачищали грани у казенного конца стволов. Как будто незаметные улучшения сделали многорукими и станки Марка Сидорова: на них сверлилось уже по восемь стволов одновременно.

Но самую блестящую техническую победу одержал Батищев, когда ему удалось переместить шустовальные пилы из рук мастеров в такие станки, которые подавали инструмент внутрь ствола, заставляли его двигаться вперед и назад и в то же время поворачивали вокруг оси так, что постепенно — чисто и точно — обрабатывались и вся длина и вся окружность внутренней поверхности ствола.

Для своего времени это достижение совершило переворот в технике обработки внутренней поверхности цилиндрических изделий. В новом станке инструмент, управляемый механизмами, совершал свое рабочее движение, подобно руке искуснейшего мастера, но выполнял {23} наиболее трудную и длительную операцию изготовления ствола неизмеримо быстрее и в то же время с необходимой степенью точности. Получилось так, что в обработке внутренних поверхностей цилиндрических изделий Яков Батищев решил задачу, которая по своему значению почти равноценна изобретению токарного супорта.

Обтиральный и шустовальный станки Якова Батищева

{24}

*  *  *

Столичное начальство настолько уверовало в силу творчества этого выдающегося инженера-самоучки, что уже в 1716 году вызвало его в Петербург строить пороховые заводы, создавать и здесь необходимые устройства. В этот период своей деятельности Яков Батищев по-прежнему уделял много внимания и сил улучшению техники обработки металла, главным образом, при изготовлении пушек. В Петербурге он встретился с А. К. Нартовым, работал с ним. Вместе они создали сверлильный станок и намного подвинули вперед технику наружной и внутренней обработки орудийных стволов.

Так Яков Батищев, солдат из крестьян петровской России, возвысился в своем мастерстве до уровня талантливого инженера-творца еще небывалых механических устройств — станков для внутренней обработки цилиндрических изделий. Вот почему славное имя его стоит рядом с именем А. К. Нартова и в первом ряду имен крупнейших изобретателей — деятелей мирового и отечественного машиностроения.

*  *  *

Как показывают научные исследования историков техники, даже через десятки лет после достижений Нартова, Сидорова, Батищева и других русских станкостроителей начала XVIII столетия техника обработки металла в западной Европе оставалась на очень низком уровне. Те устройства, которые применялись для обработки металла и изготовления деталей машин во Франции и Англии через несколько десятков лет, во многом уступали станкам Сидорова и не выдерживали никакого сравнения со станками Нартова и Батищева.

Через 45 лет — в Англии

Шел 1760 год. На дворе стояли осенние туманы. Погода была пасмурной, небо в тучах, вечера темные. {25} И таким же пасмурным, темным выглядело лицо старого английского мастера — машиностроителя Ричарда Рейнольдса, когда по вечерам он возвращался домой, в свой коттедж.

Вот уже много дней он не улыбался, угрюмо и односложно отвечал на тревожные расспросы своих близких. Каждый вечер он доставал из высокого бюро толстую, переплетенную в кожу тетрадь — свой дневник — и записывал в нее:

«Получен заказ на изготовление цилиндра парового насоса для угольных рудников в Эльфингтоне. Диаметр цилиндра — 28 дюймов, длина — 9 футов, материал — красная медь. Огромное изделие, и его надо точно изготовить! Как? Чем? Эти вопросы не перестают нас мучить...»

«Сделали первую попытку. Отлили болванку цилиндра и начали обработку. Ничего не получается, кроме брака. Для такой работы у нас нет ни оборудования, ни инструмента. Как обработать такой цилиндр, если внутренняя поверхность недоступна для руки рабочего? Я не могу ответить на этот вопрос. Заказчики и хозяева мастерской пока еще смотрят на меня с надеждой в глазах, но что будет дальше?...»

«Уже три отливки вышли в брак, на меня посматривают косо. Что предпринять? Дело почти безнадежное. Следовало бы отказаться от заказа. Но рудники очень, очень нуждаются в цилиндре, меня заставляют делать все новые и новые попытки...»

«Не спал всю ночь, думая об этом трижды проклятом цилиндре. Идея! Кажется, придумал, как решить задачу. Завтра же попробую...»

«Благодарение судьбе; она помогла нам с честью выйти из столь тяжкого испытания! Сегодня мы, наконец, с успехом кончили расшлифовку цилиндра. Как мы это сделали, пожалуй, стоит рассказать.

После того как цилиндр был прочно установлен на двух скрепленных деревянных балках во дворе мастерской, в него была залита свинцовая масса весом около 200 фунтов. К концам получившейся свинцовой колоды прикрепили по железной штанге с прилаженными к ней веревками с каждой стороны колоды; в эти веревки впрягли по шести сильных и ловких рабочих. Затем в цилиндр залили масло с наждаком и начали расшлифовку путем протягивания колоды взад и вперед. Когда один {26} участок внутренней поверхности становился гладким, мы поворачивали цилиндр и продолжали шлифовку. Так, затрачивая большие усилия, работая с огромным напряжением, мы достигли такой степени точности обработки, что наибольший диаметр цилиндра отличается от наименьшего на величину, меньшую, чем толщина моего мизинца. Это достижение — большая радость для меня. Ведь оно — лучшее из всего, что мы до сих пор слышали об успехах в области точной обработки деталей машин...»

Старый Рейнольдс повеселел, глядел теперь бодро, гордо. Но гордиться было нечем. Относительный «успех» Рейнольдса объяснялся лишь тем, что в те времена в Англии еще не знали настоящих металлообрабатывающих станков. Детали несложных, простейших машин изготовлялись фактически вручную или с помощью очень примитивных приспособлений.

Во второй половине XVIII столетия цилиндры паровых насосов требовались не только эльфингтонским рудникам, для которых так старался Рейнольдс. Рудников было много, увеличивалась их глубина, и подпочвенная вода все больше затапливала штольни и штреки. 'Воду надо было откачивать. Паровые насосы тех времен не могли служить двигателями для транспортных и производственных машин, но годились для откачки воды. Эти машины все шире применяли на шахтах. Все больше и больше увеличивался спрос на них. Поэтому все острее становилась потребность в более быстром и точном изготовлении цилиндров.

А то решение задачи, которое нашел Рейнольдс, выглядело крайне убого.

Историческая несправедливость

И все же буржуазные историки техники западных стран и дореволюционной России провозгласили создателем токарного станка с супортом не А. К. Нартова. Его изобретение огромного исторического значения, обеспечившее решительный перелом в истории машиностроения и металлообработки, через 86 лет было несправедливо приписано лицу, которое фактически лишь приспособило заимствованное из нашей страны творение Нартова к требованиям, которые предъявлялись западноевропейским (английским) машиностроением того времени. {27}

Причина этой несправедливости скрывалась в том, что в начале XVIII столетия необходимость в супорте ограничивалась очень узкой потребностью в достижении главным образом точности обработки при изготовлении малочисленных изделий — частей редких в те времена приборов, медалей и фигурных украшений. Поэтому изобретение Нартова, появившееся задолго до возникновения широкой, острой потребности в нем, осталось почти незамеченным. Кроме того, уже в те времена капиталистическая верхушка западных государств смотрела на русское государство, как на свою будущую колонию, и не хотела признавать за русскими людьми права на творческое, научное и техническое первенство.

Но механики того времени во Франции и Англии, где побывал А. К. Нартов, где он щедро и широко делился своим опытом, показывая чертежи своих станков и приспособлений, несомненно сохранили у себя и распространили среди специалистов технические идеи и особенности предложений русского изобретателя. И в свое время, когда возникла острая потребность в усовершенствовании металлообработки, брошенные Нартовым семена дали всходы и во Франции и, главным образом, в Англии, где вновь «изобрели» супорт. Как это произошло?

К середине XVIII столетия в промышленном производстве в Европе назрели большие перемены. Капиталистические хищники захватывали все больше колоний, выкачивали из них огромные «прибыли» и за их счет развивали, расширяли производство. Непрестанно и резко увеличивалась потребность в товарах для колоний. А ручной труд, на котором в то время было основано производство, уже не мог удовлетворить спрос на продукцию промышленности.

Возникла необходимость в решительном увеличении производительности промышленных предприятий, а этого можно было добиться только заменой ручного труда машинным производством. Необходимых для этой цели достаточно совершенных машин-орудий еще не было в мире.

Россия конца XVII столетия по технике промышленного производства отставала от государств западной Европы.

Когда при Петре I начались войны за возвращение России выходов к Черному, Балтийскому и Каспийскому {28} морям, за возвращение великих торговых путей на запад, юг и восток, быстро и намного возросла потребность в предметах военного снаряжения и обмундирования. В то же время из-за войны со Швецией почти прекратился ввоз необходимых товаров из западных стран (были перерезаны многие сухопутные и морские пути сообщения с Россией).

Поэтому резко увеличилась потребность в продукции отечественной промышленности. Но Россия того времени почти не имела мануфактур. Производством занимались в основном мелкие ремесленники, которые уже не могли удовлетворить быстро растущего спроса на военное снаряжение и предметы широкого потребления. Многие изделия и товары вовсе не изготовлялись в России и ввозились из западных стран. И то, что в области промышленности было сделано в западных странах в течение двух столетий, Петру I пришлось организовать и наладить за очень короткий срок.

В металлургической, оружейной и артиллерийской, в текстильной и кожевенной промышленности создавались многочисленные и крупные по тем временам новые предприятия — мануфактуры, расширялись и улучшались старые и всячески поощрялось увеличение их производительности. А огромные творческие и технические способности, заложенные в русском народе, послужили для этого благодатной почвой. Один за другим появлялись новаторы производства — инициаторы технических улучшений, изобретатели новых приспособлений и машин, особенно в металлургии и металлообработке.

Металлообрабатывающие станки с супортом, созданные А. К. Нартовым, были первыми и важнейшими в строю этих машин. Они ускорили обработку металла, резко подняли ее производительность и точность. Усовершенствование обработки металла, в свою очередь, облегчило возможность создания новых машин. В России того времени появились и наиболее совершенные станки Сидорова и Батищева для обработки внутренних поверхностей пустотелых цилиндров (ружейных и пушечных стволов). А великое изобретение русского механика Ивана Ивановича Ползунова — первая в мире паровая машина для приведения в движение рабочих машин на заводах и фабриках, появившаяся в 1766 году, еще больше способствовала вытеснению ручного труда и распространению {29} машин-орудий, увеличению их производительности. Теперь уж не нужно было приводить машины в движение с помощью мускульной силы людей и животных; не приходилось также строить заводы, фабрики обязательно у воды, чтобы обеспечить их энергией от водяных колес. Новый двигатель оказался неизмеримо выгоднее. Поэтому стало возможным все шире применять машинную обработку вместо ручного труда.

В этот же период расцвела в нашей стране техника металлургического производства. На уральских заводах были введены такие технические новшества (в механизации разлива меди и свинца, в усовершенствовании дутья в домнах), которые лишь спустя много времени были применены на западе.

Многочисленные иностранцы, работавшие в это время в России, вывозили сведения о русских изобретениях в западные государства. Ради технического улучшения своих предприятий они прибегали даже к прямому похищению чужих изобретений, и, в частности, тех, которые были сделаны русскими людьми.

Машины были в большом количестве установлены капиталистами на своих предприятиях. Теперь эти предприятия уже не могли называться «мануфактурами» — ведь их главным, определяющим признаком стал не ручной труд, а машинная обработка. Так мануфактуры превратились в фабрики и заводы. Для приведения в движение многочисленных машин на таких предприятиях было недостаточно энергии, получаемой от работы животных или водяных колес. Понадобился более удобный и, главное, более мощный источник энергии. И тогда — к 1769 году — английский механик Уатт повторил изобретение русского механика И. И. Ползунова: сконструировал и построил паровую машину — двигатель для рабочих машин.

Так начался промышленный переворот — переход от мануфактуры к машинному производству. Увеличивалось количество фабрик и заводов. Нужно было все больше и больше машин. Сооружение этих машин требовало точности в размерах деталей, которые надо было выдержать по чертежу.

И. И. Ползунов изготовлял детали своей паровой машины с удовлетворительной степенью точности — ведь в его распоряжении могли быть станки Нартова и {30} Батищева; есть также основание считать, что на базе уже накопленного отечественного опыта И. И. Ползунов создавал для изготовления деталей своей машины столь же отличные конструкции металлообрабатывающих станков.

А когда Уатт работал над своей паровой машиной, ему приходилось преодолевать огромные трудности — металлообработка в Англии была на уровне той техники, которой пользовался Рейнольдс. Это видно из письма Уатта к своему компаньону Болтону. Уатт сообщал: «Мне удалось, наконец, так точно просверлить паровой цилиндр, что даже в наихудших местах между поршнем и цилиндром нельзя было просунуть полукрону» (монету толщиной приблизительно с медный пятак).

Именно «наконец», так как достигнутая точность стоила огромных трудов и требовала особой технической выдумки, изобретательности мастеров, изготовлявших детали уаттовской машины.

Но и этого было мало. Уатту пришлось уплотнять зазоры между поршнем и цилиндром своей паровой машины бумагой, замазкой и даже кусками своей собственной шляпы.

Требования к качеству и точности частей машин, особенно паровых, все повышались. Нужны были более совершенные способы обработки металла с помощью металлообрабатывающих машин. Плоские металлические поверхности поддавались обработке издавна привычными инструментами — молотком, зубилом и напильником. Времени при этом затрачивалось очень много и работа стоила очень дорого. Но массовое изготовление разнообразных по профилю и цилиндрических частей паровых машин (цилиндры, поршни, штоки) было невозможно без применения специальных приспособлений, механизмов. Поэтому появление паровой машины обострило потребность в станках для обработки, в первую очередь, внутренней поверхности цилиндров и, во вторую очередь, для обточки наружных поверхностей цилиндров и других цилиндрических и фасонных деталей.

Лишь в 1769—1775 годах английским инженерам-машиностроителям удалось, использовав данные русских станков, построить станки для обработки внутренних поверхностей цилиндров паровых машин. И лишь в конце этого периода на их станках с трудом достигалась точность в 1/16 дюйма — 1,5 миллиметра (разность {31} между наибольшим и наименьшим внутренним диаметром цилиндра не превышала 1,5 миллиметра). Это было намного лучше точности, выраженной мизинцем Рейнольдса и полукроной Уатта, но недостаточно для того, чтобы со станков сходили пригодные к сборке цилиндры.

Станок для изготовления разнообразных по форме и точных по размерам деталей машин появился в Англии следующим образом.

С 1780 года в России работал на инженерно-технических руководящих должностях англичанин С. Бентам. Он очень интересовался металлообрабатывающими и деревообделочными станками, созданными русскими механиками, особенно А. К. Нартовым. По возвращении в Англию в 1891 году он сделал ряд заявок на якобы «изобретенные» им станки, устройство которых было заимствовано из русских конструкций. В это же время Бентам связался с английским механиком Модслеем для работы над созданием «новых» токарных и токарно-копировальных станков и передал ему сведения о достижениях А. К. Нартова и другие русских механиков. Поэтому вся трудность для Модслея была только в том, чтобы наилучшим образом приспособить к решению поставленной задачи уже имеющиеся результаты: надо было приспособить конструкцию уже известного изобретения, чтобы с его помощью можно было резко увеличить производительность токарного станка и наладить изготовление деталей машин в больших количествах. Это, и только это, было сделано в 1798 году английским механиком Генри Модслеем.

Как же отличался станок Модслея от станков Нартова? Прежде всего тем, что его отдельные механизмы были задуманы далеко не так остроумно, как у Нартова, и были грубо изготовлены. Весь «облик» станка Нартова был намного совершеннее, представлял собой образец гораздо более передовой техники.

Но достижения А. К. Нартова, его учеников и последователей лишь в советское время стали широко известны. До этого они были похоронены в царских архивах. В конце XVIII столетия о них едва помнили отдельные люди науки и техники в нашей стране, в печати о них даже и не упоминали. Тем более — через много десятилетий — об изобретениях Нартова не мог знать К. Маркс, который поэтому принял именно станок Модслея, как {32} революционирующее изобретение в технике. Это изобретение было им очень высоко оценено. Вот что он писал: «Это механическое приспособление заменяет не какое-либо особенное орудие, а самую человеческую руку, которая создает определенную форму, приближая, прилагая острие режущего инструмента к материалу труда, или направляя его на материал труда, например, на железо. 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».

Эта высокая оценка «изобретения» Модслея на самом деле полностью относилась к подлинному создателю станка с супортом, к А. К. Нартову, подарившему миру свое достижение за 86 лет до Модслея.

Замечательные русские станкостроители

17 августа 1812 года, через два с небольшим месяца после начала Отечественной войны русского народа против полчищ Наполеона, на Тульском оружейном заводе стал известен чрезвычайный приказ военного ведомства: в кратчайший срок довести изготовление ружей на заводе до 7000 в месяц, да ремонтировать по 3000.

Казалось, что для завода такое задание все равно, что (как в сказке) «сшить пару сапог, пока соломинка сгорит».

*  *  *

Прошло столетие со времени славных дел Марка Сидорова и Якова Батищева. Их ученики и последователи еще около 20 лет после отъезда из Тулы Батищева поддерживали на высоком уровне технику металлообработки в производстве ружей. Но после смерти Петра I его преемники, под влиянием проникших в правящую верхушку иностранцев, перестали поощрять развитие техники в России. Оружие и машины завозились из западных стран. Когда махины, созданные Батищевым, выходили из строя, начальство и не проявляло особой заботы, чтобы найти механиков, способных их исправить и вновь пустить в ход. И уж вовсе не могло быть и речи о создании новых, более совершенных машин — станков для обработки металла. {33}

Снова тульские оружейники перешли на «обтирание» и «шустование» стволов вручную, снизился уровень техники производства, уменьшилась производительность завода, ухудшилось качество ружей.

Больше полувека длился этот застой в развитии металлообработки в России. Лишь в самом конце XVIII столетия частые войны заставили Екатерину II и ее военных деятелей подумать об улучшении оружейного дела в России, о привлечении из числа русских людей способных мастеров металлообработки, которые могли бы решить эту задачу. И снова нашлось достаточно русских механиков-знатоков и новаторов металлообработки и оружейного дела. Одно за другим следовали их предложения о технических улучшениях.

Но в русском правительстве того времени уже крепко и глубоко укоренилось преклонение перед иностранщиной и неверие в творческие силы нашего народа. Поэтому в 1785 году послали группу лучших механиков в Англию, чтобы они, мол, увидели, до чего дошли английские мастера, чтобы поработали там, набрались в этой стране новых знаний и опыта.

Русские механики, усвоившие наследие Нартова, Сидорова, Батищева, оказались в Англии выдающимися мастерами металлообработки, настолько ценными в сравнении с английскими механиками, что их всеми средствами удерживали подольше в этой стране. Не они учились, а, наоборот, они учили английских мастеров, как лучше и производительнее обрабатывать металл, как совершенствовать металлообрабатывающие станки.

Один из этих механиков, Алексей Сурнин, в 1792 году возвратился в Россию и был назначен на Тульский завод «надзирателем всего касающегося до делания ружей» — был поставлен во главе оружейного производства. Он проработал в этой должности 20 лет и за это время создал много механических устройств и станков, которые заменили руки мастеров-оружейников в кропотливых и трудоемких работах по изготовлению мелких деталей ружья — винтов, хомутиков, улучшил инструменты. Но с основными операциями по изготовлению главной детали ружья—ствола, самыми трудоемкими, требовавшими наибольшего количества рабочих и времени, попрежнему дело обстояло плохо: заготовка ствола сверлилась на станках, но еще на сидоровских и батищевских; по новым {34} временам работа на них шла медленно и выполнялась недостаточно точно, станки то и дело выходили из строя, производство останавливалось. «Обтирание» и «Шустование» выполнялись вручную так же, как и 100 лет назад, до изобретений Батишева. В 1811 г. Алексей Сурнин умер.

В такой обстановке Тульскому заводу было приказано резко увеличить выпуск ружей. И многие недоумевали, каким же путем заводу удастся решить эту труднейшую задачу?

*  *  *

Те, кто сомневался в успехе, не знали, что вот уж почти два года работают на заводе — в помощь сверлильным махинам Батишева — новые станки для «второго» (чистового) сверления стволов и что эти станки оказались намного совершеннее. Сверло полнее и точнее воспроизводило работу рук искусного мастера. Один сверловщик работал на двух таких станках, и 25 стволов рассверливалось на них в один день.

Тогда же появились на заводе и новые шустовальные станки. Их устройство во многом превосходило шустовальные махины Батищева; на внутренней поверхности ствола не оставалось никаких следов обработки сверлом, она становилась совершенно гладкой, чистой. И в то же время резко увеличилась производительность этих станков, много больше стволов удавалось обработать за день.

Эти новые станки оказались по сути дела боевыми машинами. B 1812 году они помогли заводу решить поставленную перед ним задачу — полностью обеспечить оружием русскую армию, героически сражавшуюся с врагами Родины. Эти станки как бы встали в строй войск и пушек, стали их боевыми соратниками, верными и могучими.

Как они появились? Кто сумел воссоздать и настолько улучшить техническое наследие Сидорова и Батищева, что в короткий срок умножилась производительность Тульского завода?

Всего за год до смерти Алексея Сурнина — в 1810 году — пришел на завод новый механик, Павел Дмитриевич Захава. Он быстро изучил завод и понял, что участок {35} обработки стволов — самый важный: сколько бы ни улучшалось и ускорялось изготовление других частей ружья, если во-время не поспеют годные стволы, ружей все равно не будет.

Вот почему Захава первым делом поставил перед собой задачу — создать для обработки стволов новые станки, такие, чтобы их механические «руки» работали еще искуснее, еще быстрее, чем это было в батищевских махинах, и чтобы количество этих одновременно работающих «рук» было намного больше. Именно Захава и создал те новые сверлильные и шустовальные станки, которые помогли заводу решить задачу, поставленную военным ведомством.

После Отечественной войны 1812 года Захава еще много лет продолжал улучшать технику металлообработки. Он был неустанным искателем новых, более совершенных, более передовых способов производства, создателем новых, более совершенных металлообрабатывающих машин.

*  *  *

В эти годы место обтиральных махин Батищева стали все чаще занимать токарные станки для обточки стволов по наружной поверхности. Но это изобретение Нартова теперь внедрялось на русских заводах как продукция иностранных заводов. При попустительстве и прямом содействии правящих кругов эти станки приходили па Тульский завод то с Петербургского завода англичанина Берда, то прямым путем из Англии с завода Джона Ллойда. Столичное, да и местное начальство каждый раз ждало от них чуть ли не чудес в обработке стволов. Как же, ведь заграничные! А на деле эти станки оказывались очень плохими.

Вот и теперь — это было в один из дней 1824 года — собрались мастера завода вокруг такого новешенького токарного станка. С ними и механик завода, технический его руководитель, Павел Дмитриевич Захава.

Все вместе осматривают только что обточенный на станке ствол. И что же?! Поверхность получилась такая, что и в старину мастерам, работавшим вручную, стыдно было бы ее сдать приемщику. Грубые следы резца, царапины, {36} неровности, впадины — все это не только портило вид ствола, но и снижало качество ружья.

Покачал головой Захава. Еще и еще раз осмотрел станок, пустил его, остановил, приказал обточить один за другим еще несколько стволов, внимательно следил за движениями супорта и резца. И каждый раз получалось то же, что и с первым стволом. Захаве были видны все причины плохой работы заграничного станка.

И как ни велика была вера начальства в непогрешимость иностранных машиностроителей, Захава не побоялся сказать правду: совсем плох английский станок, не такой должна получаться поверхность ствола, а гладкой, без борозд и царапин, а главное — без впадин, чтобы стенка ствола была ровной толщины по всей его длине.

Борозды и царапины устранить нетрудно. Уже давно заметил Захава этот недостаток работы токарных станков и придумал, как его устранить. Больше того, уже успел он создать необходимое для этой цели устройство. Обтиральные станки Батищева, которые еще не так давно работали на заводе, можно приспособить для зачистки борозд и царапин, которые остаются после обточки. Надо только так изменить устройство станка, чтобы одновременно обрабатывалось еще больше стволов, чем это было при Батищеве. Тогда эта обтиральная машина будет поспевать за обточкой и во-время зачищать все стволы, которые по одному, но быстро сходят с токарных станков. Как задумал, так и сделал. И вот теперь взял Захава стволы, обточенные на английском станке, приказал принести из приемной палаты еще много таких же стволов и повел собравшихся в опытную мастерскую. Здесь стоял уже собранный обтиральный станок — прямой «потомок» махины Батищева, но все же с заметными изменениями в устройстве.

В каждой каретке станка закрепили по 20 стволов, а всего во всех 12 каретках — 240 изделий. Пустил Захава станок, двинулись каретки со стволами к такому же количеству брусков. Изделия, тесно прижатые к брускам, непрерывно скользили вперед и назад, с них сходила мелкая, точно металлический песок, стружка. Постепенно стали исчезать неглубокие царапины, борозды да впадины — поверхность ствола становилась гладкой, блестящей. Но... недостатки все же оставались в виде борозд и впадин в тех местах, где они были глубокими. Да и не {37} надеялся Захава, что такие недостатки исчезнут, понимал, что их устранить невозможно, что с этими изъянами надо бороться по-другому — надо добиться того, чтобы токарные станки стали лучше работать, чтобы в их устройстве не было тех недостатков, которые он, Захава, приметил уже давно, а особенно нынче, когда наблюдал за работой нового английского станка. И он рассказал о них своим товарищам — и тем, которые вместе с ним работали над созданием новых станков, и тем, которые работали механиками и мастерами.

Заметил Захава, что хоть в токарных станках супорт и заменил руку рабочего, да не совсем — подача супорта с резцом в конце хода выключалась рабочим вручную. Если чуть раньше он сделает это или опоздает немного, получаются неполадки на поверхности изделия. Значит, надо еще больше заменить руки и глаза рабочего, добиться того, чтобы подача супорта автоматически выключалась в конце хода. И еще заметил Захава, что во время обточки под нажимом резца обрабатываемые стволы изгибались — от этого и получалось, что в одном месте стенка оказывалась потолще, а в другом — потоньше. Надо было добиться того, чтобы не получалось изгиба. А главное, вспомнил Захава об устройстве токарно-копировального станка А. К. Нартова и понял, что если снабдить токарный станок копировальным приспособлением, то резец точнее будет снимать металл с изделия, меньше будет царапин, борозд, впадин.

Все это рассказал Захава своим товарищам и предложил им общими силами взяться за создание нового, наиболее совершенного токарного станка.

И в том же 1824 году задача была решена. Тульские станкостроители во главе с Захавой создали наиболее совершенный токарный станок того времени. В его работе не было тех недостатков, которые приводили к плохой обработке стволов; в его устройстве был сделан новый смелый шаг на пути к еще более полной замене рук рабочего автоматически действующими механизмами: резец совершал свои движения вдоль изделия и в глубину его по «указаниям» копировального приспособления. Скользящая подпора — «люнет», как его теперь называют станочники, сопровождала резец с противоположной стороны изделия и не давала стволу прогибаться. И наконец, в конце хода супорт станка автоматически выключался. {38}

*  *  *

Павел Дмитриевич Захава был замечательным изобретателем-станкостроителем своего времени. В 1825 году он создал наиболее совершенный цельнометаллический станок для третьего (окончательного) сверления стволов. Английские, американские и французские станки того же назначения не выдерживали никакого сравнения со станком Захавы, и еще очень долго западные оружейники оставались позади в технике сверления стволов. Захава неутомимо изобретал один за другим станки для многочисленных разнородных операций изготовления различных частей ружья — все больше и больше выключал ручной труд из производственного процесса. Он создал целый строй станков-специалистов по какой-либо одной операции изготовления определенной части ружья, И эти станки изготовлялись на Тульском заводе не только для своих нужд, но и для других заводов — для Сестрорецкого, Ижевского.

Благодаря творениям П. Д. Захавы и под его руководством удалось наладить на Тульском заводе передовой способ производства, основанный на разделении труда: каждый мастер выполнял только одну определенную операцию. Все это позволило действительному члену Российской Академии наук И. Гамелю заявить в 1826 году:

«Состоящий в г. Туле оружейный завод, который уже издавна славился, в последние 8 лет улучшен так, что по части искусственной (технической — 3. П.) ныне ни один оружейный завод в свете с оным сравниться не может. Искусственная часть оного находится ныне на такой степени совершенства, каковая не существует даже на лучших ружейных фабриках в Англии».

В период царствования царя-жандарма Николая I и еще более при его преемниках всячески насаждалось преклонение перед иностранщиной. Правящая верхушка с пренебрежением относилась к людям отечественной культуры, науки и техники. Русским инженерам и изобретателям не только отказывали в помощи, но и всеми способами препятствовали на пути к осуществлению их творческих замыслов. Тормозящее, мертвящее влияние такой политики правящей верхушки сказалось и на русском {39} станкостроении, которое развивалось необычайно медленно. Только Великая Октябрьская социалистическая революция полностью освободила творческие силы нашего народа от пут, наложенных на него царизмом. И тогда советские рабочие-станочники и инженеры-станкостроители возродили традиции творческого первенства русского станкостроения и снова вознесли их на вершину технической славы.

Обмен ролями

На токарном станке обрабатывались только наружные поверхности цилиндрических изделий. Со временем удалось приспособить его и для обработки небольших плоскостей, но техника требовала очень много разнообразных по форме деталей.

Тут были и большие плоскости, и зубья шестерен, и криволинейные «фасонные» поверхности. Такие задачи были уже не под силу токарному станку. Приходилось либо отказываться от изготовления изделия, либо ухитряться обрабатывать деталь с помощью дорогостоящих приспособлений. С ними мог управиться только очень квалифицированный мастер. Работал он вручную, и потому очень медленно. И получалось так, что обработка одного квадратного фута (около 1/10 квадратного метра) плоской металлической поверхности обходилась в девять рублей золотом. Это была очень большая для того времени сумма. Попрежнему машины обходились дорого и выпускались в небольшом количестве. Вот почему станкостроители пришли к выводу, что для дальнейшего движения вперед необходимо создать новый станок.

Тогда уже существовал особый металлообрабатывающий инструмент — фреза. Этот инструмент выглядел не как стержень (резец), а как диск. На окружности этого диска располагалось несколько резцов одинаковой формы. Получалось нечто вроде звезды, лучами которой служили резцы.

Фрезу с успехом применяли часовщики, отличавшиеся тонким мастерством в области точной ручной металлообработки. Для фрезы они построили специальное приспособление, которое вращало этот инструмент с большой скоростью. Конечно, фрезы эти были очень, очень малы. С их помощью часовщики изготовляли крохотные зубчатые колесики и пластинки для часов. {40}

Станкостроители знали и об этом, когда решили построить новый станок: вместо неподвижного резца на скользящем супорте они установили фрезу на вращающемся шпинделе. Но в таком случае она все время обрабатывала бы один и тот же участок поверхности детали. Поэтому снабдили станок подвижным столом. Обрабатываемая деталь закреплялась на этом столе и вместе с ним постепенно, с определенной скоростью подавалась к вращающемуся инструменту. Стол станка превратился в супорт, но уже не для инструмента, а для изделия. Так снова вернулись к способу обработки, при котором деталь приближалась к инструменту, а не наоборот. Но делали это на основе новой, уже более совершенной техники, и потому результат получился отличный. Новый станок производительно и точно обрабатывал изделия всевозможной формы. Вскоре был изобретен и строгальный станок, но его появление ничуть не умалило роли фрезерного станка.

К середине прошлого столетия (за пятьдесят лет) стоимость обработки одного квадратного фута металлической поверхности снизилась в двести двадцать пять раз: вместо девяти рублей золотом — четыре копейки.

Тот же обмен ролями между инструментом и обрабатываемой деталью — инструмент вращается, изделие неподвижно — осуществлен и в сверлильном станке. Режущий инструмент этого станка — сверло — сконструирован в виде цилиндрического стержня, на рабочем конце которого имеются две режущие кромки, а на боковой поверхности вьются две винтообразные канавки. Сверло вращается, врезывается в металл изделия, снимает стружку, которая по боковым канавкам резца вытесняется наружу

В 1867 году в Париже, а четыре года спустя в Вене были организованы международные промышленные выставки. Знакомясь с экспонатами выставки, посетитель убеждался, что техника станкостроения очень улучшилась и стояла на очень высоком уровне.

Точность обработки, которая сто лет назад в Англии определялась толщиной мизинца Рейнольдса, дошла до одной десятой доли миллиметра.

Но и этого было мало. Требования к качеству и точности обработки поверхности деталей машин повышались с каждым днем. Все более тонкие, тончайшие стружки приходилось снимать с металла. Приходилось обрабатывать и доводить до окончательного размера рабочие {41} поверхности деталей, прошедших закалку и ставших очень твердыми.

Старые инструменты, резцы, изготовленные из закаленной стали, уже не справлялись с этой задачей. Их твердость оказалась недостаточной. И тогда машиностроители, опираясь на новую, далеко шагнувшую вперед технику, вернулись к первобытному инструменту — камню — и создали шлифовальный станок. Инструментом для этого станка служил шлифовальный круг, изготовленный из мелких зерен камня — корунда, твердость которого была немногим ниже твердости алмаза. Шлифовальный круг вращался со скоростью, значительно превышавшей скорости вращения фрез и сверл, и снимал тончайшую, пылевидную стружку с твердых, закаленных поверхностей. Точность изготовления начала подходить к сотым долям миллиметра.

Казалось, трудно было добиться большей точности, трудно было улучшить конструкцию станков. Но техника требовала еще большей производительности и точности. Потребность в лучших станках нарастала.

В конце прошлого столетия в машиностроительной промышленности бурно развивалось серийное и массовое производство. Приближался «век автомобиля». И тогда в станкостроении произошел второй переворот. Электрический двигатель заменил паровую машину. Электрический ток, точно свежая кровь, влился в «артерии» управления механизмами станков. Он сделал их более быстрыми, точными и, наконец, самодействующими.

Глава II. ВТОРОЙ ПЕРЕВОРОТ

Исчезнувший «лес»

Если бы станочник конца прошлого столетия каким-то чудом оказался в цехах современного машиностроительного завода, многое показалось бы ему странным и непонятным. Но среди многих странностей одно явление показалось бы ему особенно необъяснимым, чудесным и невероятным.

Конечно, его поразили бы не новые, незнакомые очертания станков. Станки должны были измениться за шестьдесят лет. Но что, какая сила приводит их в движение? Где валы трансмиссий, где «лес» приводных ремней? Где прячутся могучие руки, влекущие взад и вперед под {42} потолком цеха огромный кран, точно мост, скользящий по рельсам?, И та же невидимая сила катит по крану тележку с крановщиком, который управляет движением этого моста, поднимает немыслимые тяжести и с непонятной легкостью переносит их с места на место. Где же она, эта сила?

На все эти вопросы пришельцу из прошлого столетия пришлось бы ответить подробно.

Мы уже знаем, что во второй половине XVIII столетия появился новый двигатель — паровая машина.

Она стала источником энергии, приводившим в движение все рабочие машины на всех заводах и фабриках. В цехах как будто и не было видно никаких двигателей. Под потолками вдоль цеховых помещений тянулись вращающиеся валы с насаженными на них приводными колесами-шкивами. С них сбегали к станкам ремни, много ремней. Каждый станок имел свои приводные колеса-шкивы. Насаженные на главный вал станка, они образовывали своего рода лестницу с круговыми ступенями. Лента бесконечного ремня надевалась на тот или другой шкив станка (в зависимости от величины скорости, которую хотели получить) и сообщала ему движение.

Станков было много, значит и ремней было много. Получался лес ремней, чуть ли не джунгли, затемнявшие помещение цеха, загромождавшие все пространство цеховых пролетов. Легко можно было быть задетым приводным ремнем и стать жертвой несчастного случая.

Для чего нужен был этот лес ремней? Оказывается, одна мощная паровая машина, скрытая где-то вне цеха, вращала с помощью приводного ремня всю систему валов, их называли трансмиссиями. А трансмиссии, в свою очередь, отдавали полученную энергию, посылая ее к станкам по ветвям таких же приводных ремней.

На длинном извилистом пути от единого источника — паровой машины — до рабочего шпинделя станка терялось много энергии. Очень много передаваемой энергии пропадало зря. Стоило произойти аварии где-нибудь на одном участке трансмиссии, — и вся линия станков выходила из строя. И наоборот, пуск в работу только одного станка требовал вращения всей трансмиссии со всеми ее шкивами. И тут терялось необычайно много драгоценной энергии. {43}

Все же, несмотря на эти недостатки, паровая машина целое столетие безраздельно господствовала в промышленности.

Первая половина XIX века ознаменовалась важнейшим событием: в 1834 году крупнейший русский ученый, академик Б. С. Якоби изобрел первый практически пригодный электрический двигатель. Несколько десятилетии длилось его усовершенствование. В восьмидесятых годах прошлого века рабочие шпиндели станков завертелись от электродвигателя, питаемого электротоком от центральной установки, вырабатывающей электроэнергию, а еще через два десятилетия паровая машина стала терять позицию за позицией, уступая свое место новому двигателю, победно и прочно завоевавшему господство в цехах заводов и фабрик.

Это был второй переворот в промышленности и в то же время начало второго переворота в развитии станкостроения. Но сократился ли от этого путь энергии к станку? Исчезли ли джунгли приводных ремней? Нет, не сократился извилистый путь энергии и ее потери, не исчез лес ремней!

Победа над паровой машиной досталась электродвигателю легко. Новый двигатель оказался не только экономичнее, но и компактнее (занимал меньше места) и требовал гораздо меньшей заботы о себе во время работы. Именно эти неоспоримые достоинства электродвигателя и заставили машиностроителей предпочесть его паровой машине. Но в остальном все осталось по-старому.

Новый двигатель занял место старого, а вся система передачи энергии к станкам не изменилась. Попрежнему от одного мощного мотора через общие трансмиссии приводились в движение линии станков, а в этих линиях выстраивались десятки и даже сотни станков. Попрежнему все промежуточные звенья цепи передачи урывали для себя часть силовой энергии, отпускаемой электродвигателем. Попрежнему лес ремней затемнял цех и грозил опасностью неосторожному рабочему. И бывало, что вся энергия мощного электродвигателя расходовалась на работу одного станка.

А можно ли было устранить недостатки общей передачи энергии? Конечно, можно было! Но машиностроители и конструкторы станков не сразу учли природу электрической энергии и компактность электродвигателя. {44} Первая из этих двух особенностей как бы говорила: «К чему вся эта громоздкая и прожорливая система трансмиссий, все эти шкивы и ремни, если электроэнергию можно передавать на расстояние по проводам?» Вторая особенность продолжала: «... а компактность электродвигателя и простота ухода за ним позволяют рассредоточить энергию единого мощного двигателя на несколько менее мощных и перенести их ближе, чтобы уменьшились потери в цепи передачи, чтобы проще и легче стало управление работой станков».

Вторая особенность была учтена раньше первой.

Единую трансмиссионную передачу разбили на несколько отдельных участков, обслуживающих небольшие группы станков. И каждая из этих групп приводилась в движение отдельным двигателем. Единый мощный электродвигатель «породил» несколько менее сильных двигателей, и эти двигатели «шагнули» в производственные помещения, поближе к станкам. С этого и началось «путешествие» электродвигателя к станку, которое длилось несколько десятилетий и о котором стоит рассказать.

От разделения единой трансмиссии на несколько отдельных участков лес ремней не стал реже. Но именно в этом разделении было заложено начало его исчезновения.

Все меньше и меньше становилось станков, связанных с одним двигателем. Все больше и больше приближался он к станкам. Наконец, пришло время, «когда только один станок обслуживался одним двигателем, его стали называть «индивидуальным» двигателем. Как же теперь передавалась к станку энергия движения? «Лес» ремней не исчез. Пожалуй, он даже не стал реже. Но теперь это уже был карликовый «лес».

Трансмиссия тоже стала «индивидуальной»: невысоко над станком устанавливался небольшой вал со шкивами — контрпривод. От вала двигателя к валу контрпривода взбегал бесконечный ремень привода и вращал шкив, а с другого шкива сбегал вниз другой бесконечный ремень и вращал соответствующий шкив станка. Опять энергия движения на своем пути к станку делала большой крюк, прежде чем приложить свою мощь к вращению шпинделя.

Зачем же нужно было делать этот крюк? Причина скрывалась в устройстве самих станков. {45}

Конструкторы не успели приспособить станки к новому виду двигателя. У них не было «ворот» для непосредственного подвода электрической энергии к рабочим органам станка. Скрытно (под полом) добравшись к станку и «вынырнув» наружу в непосредственной близости от него, электроэнергия все же сворачивала с прямого пути: чтобы попасть в станок, ей приходилось идти по давно проторенной дорожке — через приводной ремень, вал контрпривода и шкив станка.

Но вскоре станкостроители переконструировали станки. Теперь их строили так, чтобы двигатель и станок, поставленные на общей станине, составляли одно целое. На таком станке вал двигателя уже где-то внутри всей машины вращал систему шестерен и промежуточных валов и через них приводил в движение главный рабочий орган — шпиндель станка. Отпала нужда в индивидуальной трансмиссии, или контрприводе. Наконец-то мотор вплотную приблизился к станку, стал частью машины. Лес ремней исчез.

Второе «путешествие» двигателя

Вместе с лесом ремней ушли из цехов темнота, грязь, опасность увечий. Цехи машиностроительных заводов стали просторными, светлыми, чистыми, и неровный резкий гул ременной передачи сменился однообразным шумом работающих двигателей. Но и на этом путешествие двигателя не закончилось.

Путь энергии к рабочему органу — шпинделю станка — стал значительно короче. Однако и здесь значительная часть энергии расходовалась на преодоление трения между соприкасающимися звеньями передачи: многочисленными шестернями, валами, маховичками. Этих звеньев было очень много. Энергию приходилось расходовать не только на вращение рабочего шпинделя, но и на другие движущиеся части станка. Так, например, в большом радиально-сверлильном станке, кроме сверла, приходилось передвигать тяжелую поперечину (подвижную часть станка, несущую сверлильную головку), приводить в действие масляный насос, обслуживать промежуточные передачи.

За всеми этими операциями, требовавшими внимания, времени, усилий, следил рабочий. Передаточные механизмы {46} также поглощали часть энергии, отдаваемой двигателем.

Сделать путь энергии короче, уменьшить цепь передаточных звеньев и этим сократить потери энергии и улучшить работу станка — вот какие задачи встали перед станкостроителями. И тогда началось второе путешествие электродвигателя, но теперь уж не к станку, а по станку. Это значит, что двигатель стали пристраивать все ближе и ближе к рабочим органам станка.

Станкостроители сделали еще один шаг вперед: в конструкции сложных станков ввели не един, а несколько небольших электродвигателей. Один из них обслуживал рабочий шпиндель станка, а другие — отдельные его механизмы.

В том же радиально-сверлильном станке единый двигатель, дошедший было уже до самого шпинделя, «размножился» на четыре электродвигателя: один из них примостился непосредственно на рабочем шпинделе и вращал сверло, другой — у основания колонны станка приводил в движение насос для подачи жидкости, охлаждающей инструмент; третий — на верхушке колонны передвигал траверсу вверх и вниз, и, наконец, четвертый, под траверсой, закреплял ее в определенном положении и освобождал, когда нужно было ее передвинуть. В наши дни существуют {47} станки, у которых число двигателей доходит до десяти. Каждый из них приводит в движение определенную работающую часть станка.

Еще до Великой Отечественной войны в Ленинграде был спроектирован огромный станок для обработки поверхностей вращающейся сцены Дворца Советов. В этом станке число электродвигателей дошло до 32, а их общая мощность достигла 1500 киловатт. Такой мощности было бы достаточно для электроцентрали небольшого города.

С помощью электрических двигателей станкостроители стали осуществлять свои, даже самые смелые, казалось бы, невыполнимые замыслы.

Электрический помощник

Электричество — подручный станочника, его помощник. Оно экономит время, освобождает руки рабочего, ускоряет темп работы, делает ее более точной.

Пуск станка в ход, его остановка, изменение скорости — все, что еще не так давно требовало ручного труда, времени и опыта, в наши дни заменено легким нажимом пусковых кнопок на щите управления станком. Электрический ток не только приводит в движение рабочие органы станка, он выполняет много других вспомогательных работ. Поэтому современный станок как бы оброс электроприборами.

Одни из них точным движением стрелок по шкале измеряют нагрузку станка, так как перегрузка грозит поломкой и выходом станка из строя.

Другие аккуратно «докладывают», с какой скоростью вращается обрабатываемая деталь, и «стерегут» любое отклонение от заданной скорости.

Существуют и такие электроизмерительные приборы, которые во время самой точной обработки, когда изменения размеров выражаются тысячными долями миллиметра, зорко и неустанно «следят» за этими изменениями. Как только инструмент — пусть это будет даже быстро вращающийся круг шлифовального станка — снимет последнюю, чуть ли не микроскопическую стружку, рабочий получит сигнал: стоп, отведи инструмент от детали!

На столе плоско-шлифовального станка выстроились одинаковые детали. Их поверхности нужно отшлифовать, {48} сделать предельно гладкими и точными. Для этого детали следует надежно закрепить, чтоб они не сдвинулись ни на одну тысячную миллиметра. Операцию эту можно выполнить вручную, поручив ее рабочему высокой квалификации. Но человеческие руки, даже самые искусные, все же могут ошибиться, допустить неточность. И тут опять приходит на помощь электричество. Новейшие шлифовальные станки оборудованы для крепления деталей особыми плитами, собранными из электромагнитов. Рабочий включает ток и замыкает магнитное поле через обрабатываемые детали. Один миг — и детали «прилипают» к столу станка и находятся в таком положении, пока рука рабочего не разомкнет ток.

И еще много других электроприборов «помогают» станку, измеряют и контролируют его работу, считают и записывают ее, сигнализируют о неисправностях и, наконец, всячески автоматизируют рабочие движения исполнительных органов машины.

Электрический привод и электрическое обслуживание всех вспомогательных операций — это тот фундамент, на котором современные станкостроители создали и создают новейшие станки. Какие же это станки?

«Мир» станков

До сих пор мы насчитывали всего лишь пять основных разновидностей станков: токарный, строгальный, фрезерный, сверлильный и шлифовальный.

В давние, начальные, времена своего существования каждый из основных станков, к примеру токарный или фрезерный, был чем-то вроде «мастера на все руки». На токарном станке научились обрабатывать цилиндрические детали не только снаружи, но и внутри. На этом же станке нарезали резьбу и обрабатывали небольшие плоские торцы деталей. Кое-какие из этих операций не всегда удавалось достаточно хорошо и быстро выполнить. Обыкновенный токарный станок был для этого мало приспособлен. Такими же недостатками страдали и другие основные виды станков. Тогда появились станки-специалисты, выполнявшие определенную операцию. От каждого основного вида станка, точно ветви от ствола дерева, выросли и развились новые, родственные виды станков.

От токарного отпочковался станок для растачивания длинных цилиндрических и полых изделий — орудийных {49}

Современный советский токарно-винторезный станок: 1 — коробка скоростей, передняя бабка; 2 — коробка подач; 3 — каретка сулорта; 4 — супорт; 5 — резцедержатель; 6 — задняя бабка; 7 — сменный центр задней бабки, вставленный в пиноль; 8 — рукоятки перемещения пиноли; 9 — трубопровод для подачи охлаждающей жидкости; 10 — ходовой винт для нарезания резьб; 11 — ходовой валик для самохода; 12 — валик пуска; 13 — рукоятки установки числа оборотов шпинделя; 14 — рукоятка изменения шага нарезаемой резьбы; 15 — рукоятка изменения направления витков нарезаемой резьбы (правой и левой); 16 — рукоятки настройки подачи резца (по таблице на коробке подач); 17 — рукоятка включения ходового винта или валика; 18 — кнопочная станция — включение и выключение электродвигателя; 19 — рукоятка ручного хода супорта; 20 — рукоятка механической подачи; 21 — включение и выключение гайки ходового винта; 22 — поперечная подача супорта; 23 — продольная подача супорта

{50}

стволов и гребных валов. Затем появился станок-специалист по точной расточке внутренних поверхностей коротких блок цилиндров двигателя. Этот станок называется горизонтально-расточным. В конструкцию этого станка введен стол, на котором крепится изделие. Почти одновременно родился и лобовой токарный станок для обработки больших плоскостей. Если же изделия с этими плоскостями слишком велики, тяжелы и громоздки, то на помощь приходит карусельный токарный станок, действительно, напоминающий карусель. Круглый стол станка расположен горизонтально и вращается так же, как и патрон или планшайба токарного станка. Изделие крепится на столе, а резцы подводятся супортом сверху или {51} сбоку. Также много ответвлений и у других основных станков.

Современный советский универсально-фрезерный станок: 1 — механизм подачи стола; 2 — коробка скоростей; 3 — кожух „хобота” станка; 4 — шпиндель; 5 — стол; 6 и 7 — механизм поперечной подачи стола; 8 — винт подъема стола; 9 — фундаментная плита; 10 — рычаг остановки стола; 11 — механизм продольного перемещения стола

Существуют и строгальные, и сверлильные, и фрезерные, и долбежные, и шлифовальные, и протяжные станки — «специалисты» по определенной операции. Но машиностроители сумели создать и создают в наши дни новые виды станков — узких «специалистов» по изготовлению какой-либо одной детали целиком. Такие станки, наоборот, выполняют много различных, но строго определенных операций.

Количество видов и типов станков непрерывно увеличивается. Есть среди них и «великаны» и «карлики». Откройте, например, крышку ручных часов. Вы найдете среди их деталей и крошечные зубчатые колесики, и фигурные плоскости, и мельчайшие винтики. Резьба на этих винтиках настолько мала, что почти не воспринимается невооруженным глазом, а лишь нащупывается пальцем. Только микроскоп и пинцет помогают часовщику обработать столь крохотные детали и собрать механизм воедино. Весь этот механизм времени можно легко спрятать в ладони. Мельчайшие детали часов изготовляются также на станках-специалистах. Это станки-карлики, очень точные настольные станочки.

А вот статор мощного турбогенератора. Человек, стоящий рядом с ним, кажется лилипутом. Статор тоже изготовлен на станке, но на карусельном станке-великане. По огромному круглому столу этого гиганта, как по автодрому, свободно могут катиться друг за другом две-три, а то и больше грузовых автомашин.

Существуют станки для обработки огромных орудийных стволов корабельной и береговой артиллерии. О величине такого станка могут дать представление детали, которые он обрабатывает: длина заготовок — 30, 35, 40 и больше метров, диаметр — 3 метра. Вес заготовки — сотни тонн!

Обработка броневых плит кораблей требует таких же строгальных станков-великанов. На столе такого станка можно играть в теннис. Вес станка доходит до 300 тонн. Чтобы изготовить один такой станок, нужно около 20 вагонов металла: его траверса, несущая супорты, выглядит точно мост-виадук через железнодорожные пути. {52}

Для этой же цели — обработки броневых плит — служит фрезерный станок весом тоже в 300 тонн. Представление о размерах станка может дать его фреза: ее диаметр — 2,5 метра.

Современный советский поперечно-строгальный станок: 1 — микрометрическое кольцо для точной установки резца; 2 — супорт; 3 — резцедержатель; 4 — стол; 5 — механизмы подачи; 6 — электродвигатель; 7 — коробка скоростей; 8 — ползун

Электрический ток как бы оживил станки, заставил их механизмы работать быстрее, точнее. И, наконец, с помощью электричества удалось полностью автоматизировать работу станков, добиться, чтобы станки работали сами, без вмешательства человека, и чтобы детали машин изготовлялись с еще небывалой скоростью при еще большей точности.

Не все то гладко, что блестит

Очень чисто отделанная металлическая поверхность, как известно, может служить зеркалом. В древние и средние века, когда не умели еще изготовлять стеклянных зеркал, люди пользовались металлическими зеркалами. Для воинов в те времена зеркалами служили отполированные до блеска стальные щиты и латы. {53}

В те времена сделать металлическую поверхность гладкой, как зеркало, было очень трудно. На это требовались долгие дни кропотливой и искусной работы. Мастера вручную полировали металл и добивались гладкости и блеска. Металлические зеркала, щиты, кольчуги сверкали на солнце, слепили глаза. Но были ли эти поверхности действительно гладкими? На этот вопрос ответила техника наших дней.

Есть много способов механической отделки зеркально чистых поверхностей. Так, например, поверхность каландра — важнейшей рабочей части бумагоделательной машины, цилиндрического гладильно-нажимного вала — обрабатывается с помощью тонкой шлифовки до зеркальной гладкости: этого требуют условия бумажного производства. Так же чисто обрабатываются рабочие поверхности деталей двигателей, артиллерийских орудий и многих других машин. Но в наши дни зеркальная чистота и гладкость металлических поверхностей достигаются в большинстве случаев не кропотливой и долгой ручной полировкой, а обработкой на станке.

К поверхностям разных деталей предъявляются и разные требования. Для некоторых деталей достаточна чистовая отделка резцом. Для других необходима более тонкая обработка шлифованием. Но для неискушенного глаза обработанные этими резко различными способами поверхности будут казаться одинаково блестящими, чистыми, точными. Более искушенный и опытный человек отличит шлифованную поверхность от чисто отделанной резцом, но и ему трудно будет различить несколько поверхностей, обработанных более тонкими способами и существенно отличающихся по чистоте. На вид все они будут казаться зеркально чистыми, сверкающими, идеально гладкими. В действительности же это не так.

Специальные, очень чувствительные и точные приборы быстро уличают каждую из поверхностей в негладкости, в неровности. Даже на наиболее совершенно обработанной поверхности эти неровности, пусть микроскопически малые, все же существуют и влияют на ее качество. Поэтому можно сказать, слегка изменив известную пословицу: «Не все то гладко, что блестит».

Какие же это неровности, откуда они появляются, почему они влияют на качество и, следовательно, на работу машин? {54}

Если рассмотреть хотя бы через лупу гладкую металлическую поверхность, то на ней обнаружатся следы резца. На цилиндрической детали эти следы — круговые, на плоской — прямые. Если такую деталь разрезать поперек направления следов и рассмотреть разрез через оптический прибор, то кромка разреза будет иметь вид гребешка с остроконечными зубцами. Расстояние между вершинами двух соседних зубцов называется шагом неровностей, а расстояние между вершиной зубца и его основанием — высотой неровностей.

Советский продольно-строгальный станок. Управление станком — с электропульта (справа), с помощью кнопочной станции

Машиностроители знали об этих неровностях уже давно и всячески пытались их устранить. Это было чрезвычайно важно для рабочих поверхностей деталей машин. Было известно, что чем меньше шаг и высота неровностей, тем точнее прилегают поверхности деталей друг к другу, тем меньше трение между ними и тем лучше работают машины.

Вот почему машиностроители упорно боролись за улучшение качества поверхности, за то, чтобы уменьшить шаг и высоту неровностей. В этой борьбе изобретались и новые способы обработки и новые станки. {55}

При обработке обыкновенным резцом поверхность получается наиболее грубая. Шаг неровностей очень велик: самый малый — 0,1 миллиметра, а самый большой доходит до 1,5 миллиметра. Высота неровностей — от 1 микрона до 100 микрон (микрон — одна тысячная доля миллиметра). Такая поверхность блестит, но зеркалом служить не может.

Шлифование уменьшило шаг неровностей в тридцать раз, а высоту — в двадцать раз. Во многих случаях такое улучшение решало задачу. И очень долго машиностроители удовлетворялись шлифованием, стараясь только всячески усовершенствовать этот вид обработки. Шлифованная поверхность правильнее отражает свет; в ней смутно, но правильно отражаются очертания предметов, лиц.

Скоро требования к качеству поверхности трущихся деталей машин возросли. Так, например, понадобилось более чисто, гладко и точно отделывать внутренние поверхности цилиндров автомобильных двигателей. Точность должна была выражаться уже в тысячных долях миллиметра, в микронах.

Примерно двадцать лет назад машиностроители предложили заменить шлифовальный круг плоскими брусками, изготовленными (как и шлифовальный круг) из мелких зерен твердых искусственных камней или абразивов, как их называют, и связывающего их материала. Эти бруски размещались на круглой раме внутри обрабатываемого цилиндра. Получалось что-то вроде расточной головки, только оснащенной не резцами, а абразивными брусками. Оставалось только привести во вращение штангу, на конце которой была укреплена рама с брусками, и начать что-то вроде внутреннего шлифования. В этом почти ничего нового не было. Так примерно обрабатывались цилиндры на заре машиностроения. Но это было только внешним сходством. Станок не только вращал штангу с брусками, но и толкал ее вперед по длине цилиндра и тянул назад, заставляя совершать еще и возвратно-поступательное движение. Новый вид обработки назвали «тонкой шлифовкой».

Что же произошло с шагом и глубиной неровностей при новой обработке поверхностей? Может быть, неровности и вовсе исчезли? Оказывается, нет. Попрежнему неровности бороздили обработанную поверхность, и даже {56} шаг их не изменился, остался таким же как и при шлифовании. Но высота гребешков уменьшилась в пять-восемь раз, дойдя до одной десятой доли микрона. Толщина волоса в десятки раз больше этой величины. Поверхность стала еще более зеркальной. И все же это достижение не удовлетворило машиностроителей. Гребешки, пусть и микроскопические, все же оставались и были еще достаточно вредными.

Советский зубофрезерный станок Е8-1 (для изготовления зубчатых колес с прямым зубом)

{57}

Тогда еще раз изменили инструмент: применили неабразивные зерна, прочно вкрапленные в связывающие материал, а абразивный порошок, смешанный с маслом «ли жиром и нанесенный на какой-нибудь мягкий материал — чугун, латунь, кожу, дерево. Снова вернулись к кропотливому ручному труду, требующему от рабочего большого опыта и высокой квалификации. Медленными и в разные стороны направленными осторожными движениями рабочий обрабатывал, притирал порошком изделие почти так же, как это делали средневековые мастера. Работа стоила дорого, длилась долго, но давала хорошие результаты. Тогда машиностроители ухитрились построить специальные станки для этого вида обработки. Новая обработка, как и тонкая шлифовка, не уменьшила шага неровностей; эта величина почти не изменилась. Но высота неровностей стала еще меньше, сделалась совсем ничтожной. Еще глаже стала поверхность, еще яснее и четче отражала она очертания предмета. И все же гребешки продолжали существовать.

Тут надо все же рассказать, как машиностроители уничтожили вредные гребешки.

Сверхдоводка

Когда изделие обрабатывается на станках режущим инструментом, это называют в технике холодной обработкой металла. Соответствует ли это определение истине? На первый взгляд, кажется, и спорить об этом нечего; никаких печей не видно, нет как будто и нагрева и высокой температуры. Но это опять-таки только «кажется». На самом же деле нагрев металла происходит и без печей и дает весьма высокую температуру. Тепло выделяется там, где соприкасается инструмент с изделием и, проникая на какую-нибудь глубину, пусть ничтожно малую, влияет на поверхностный слой металла. А этот слой — самый важный, потому что он-то и образует рабочую поверхность будущей детали. Чем больше скорость резания и давление инструмента на обрабатываемую поверхность, тем больше выделяется тепла. При обработке резцом эта температура может дойти до 1000 градусов.

Металл состоит из отдельных зерен — кристаллов. Высокая температура разрыхляет кристаллы в поверхностном слое, ослабляет связь между их частицами. Слой этот очень мал. Толщина размягченного слоя поверхности, {58} обработанной тонкой шлифовкой, равна всего 5 микронам. Размягченный металл поверхности ослабляет ее сопротивляемость внешним воздействиям — трению, удару, давлению. Значит, хорошо бы или вовсе избавиться от этого разрыхленного слоя, или хотя бы сделать его возможно тоньше. Неровности — гребешки — как раз располагались в поверхностном разрыхленном слое, а остроконечность зубцов еще больше ослабляла сопротивляемость поверхности износу.

Значит, борясь с неровностями, надо было вовсе устранить или уменьшить влияние основной причины размягчения — высокую температуру, выделяющуюся при обработке.

Меняя способы шлифовки поверхностей, станочники уменьшали зубцы вредных гребешков, понижали температуру поверхностного слоя при его обработке и утончали размягченный слой. При обработке притиркой температура понизилась до десятков градусов, а толщина размягченного слоя утончилась до полутора микронов.

«Почему тонкая шлифовка и притирка дают такие гладкие и прочные поверхности? — спросили себя исследователи. — А что, если мы еще больше усложним движение инструмента? Что, если мы еще более уменьшим скорость обработки? Ведь тогда поверхность станет еще более гладкой, так как исчезнут вредные гребешки. И она будет еще лучше сопротивляться износу, так как еще тоньше сделается слой «мягкого металла». «Ручные» темпы исследователей не устраивали. Поэтому они прежде всего попытались заменить руку рабочего механической «рукой» станка, неустанно и быстро совершающей легкие колебательные притирочные движения. Затем отказались от абразивного порошка. Таким инструментом было трудно управлять, отдельные зерна порошка отрывались от всей массы и царапали обрабатываемую поверхность. Исследователи вернулись к абразивным брускам и построили специальные приспособления.

На станке были установлены изделия — кольца подшипников, а инструменту — брускам — заранее придали такую форму, чтобы они точно прилегали к обрабатываемой поверхности. В механическую «руку» станка вложили бруски и заставили ее совершать быстрые — до 500 в минуту, но мелкие — не более 2,5—3 миллиметров — колебательные движения. И в это же время изделия, кольца, {59} медленно вращались. Это была очень малая скорость, а бруски едва прижимались к изделию. Температура обработки не повышалась вовсе.

Благодаря такой работе брусков с изделия снималась ничтожно малая стружка, диаметр кольца едва-едва увеличивался. Но вдруг через 10—15 секунд изменение диаметра прекратилось.

Сколько ни продолжали обработку, диаметр кольца оставался неизменным. Стружка более не снималась. Почему? Ответ пришел не сразу. Оказалось, что режущие зерна брусков, зачищая гребешки, затупились, поверхность брусков стала гладкой. Но поверхность изделия тоже стала гладкой, и поэтому резание прекратилось. Получилось так, что как только достигалась наилучшая поверхность, обработка прекращалась автоматически. Тогда сняли со станка обработанные изделия, заменили их новыми. А как быть с брусками? Ведь они как будто уже вышли из строя. Но оказалось, что как только затупившиеся бруски начали двигаться по неровностям нового изделия, они снова «заправились», самозаточились и так же чисто снимали очередные гребешки.

Какая же получилась чистота поверхности? Оказалось, {60} что шага неровностей вовсе не удалось установить, он исчез, а это означало, что и неровности исчезли. Только кое-где игла нащупывающего прибора проваливалась в микроскопическую борозду глубиной до одной десятой доли микрона. Это такая невероятно малая величина, что фактически поверхность можно было считать идеально гладкой. Так машиностроители открыли новый способ отделочной обработки деталей машин — сверхдоводку. Для этой новой операции были созданы специальные станки.

Уже давно было известно, что чем глаже, зеркальнее изготовлена рабочая поверхность детали, тем меньше трение в суставах — сочленениях машин, тем лучше они работают и меньше изнашиваются.

Сверхдоводка позволила машиностроителям получить сверхточные, сверхгладкие поверхности, мало изнашивающиеся от трения.

И тогда легко пришли к мысли, что ведь не одни подшипники нуждаются в такой обработке. В каждой машине работает много трущихся деталей с цилиндрическими, плоскими, выпуклыми и вогнутыми поверхностями. И вскоре были созданы специальные станки для сверхдоводки шеек автомобильных коленчатых валов, штоков клапанов, поршней и многих других массовых деталей.

Новые станки отличаются еще одной чудесной особенностью: скорость обработки небольшая — мы это уже знаем, — но производительность их очень велика, она измеряется секундами. Так, например, один станок в течение одного часа обрабатывает сверхдоводкой 650 автомобильных поршней.

Глава III. АВТОМАТИЧЕСКИЙ ПОМОЩНИК

Станок-револьвер

Если на обыкновенном токарно-винторезном станке обрабатывается самый простой винт, на его изготовление затрачивается немало времени. И тут не помогут ни высокая квалификация, ни опыт, ни старание. И это потому, что с деталью приходится долго возиться: много раз устанавливать ее и снова снимать, менять инструмент, то и дело пускать в ход и выключать станок. На все это нужно время, как бы рационально ни была организована работа. {61}

Если же надо изготовить сложные детали с разными резьбами, с коническими участками и отверстиями, то самому искусному мастеру-станочнику придется десятки раз стопорить свою работу и терять драгоценное время.

Как устранить эти потери? Как сделать, чтобы рабочий поменьше вмешивался в работу станка, чтобы станок не останавливался, чтобы смена инструмента шла почти без перерыва, а еще лучше, чтобы одновременно выполнялись не одна, а две-три и больше операций, — вот задачи, которые еще во второй половине прошлого столетия были поставлены перед машиностроителями.

Медленно поднимается рука, вооруженная револьвером. Стрелок нажимает спусковой крючок. Курок отходит назад в боевое положение, и в то-же время барабан револьвера автоматически поворачивается на определенный угол и подает под боек ударника очередное гнездо магазина с заложенным в него патроном. Боек опускается, ударяется в пистон, происходит выстрел. Снова нажим на спусковой крючок, снова поднимается боек ударника, и снова повторяются поворот барабана и подача очередного патрона. Именно такое оружие называется револьвером. Признаком револьвера является наличие поворотного барабана.

Револьверы появились в конце первой половины, прошлого столетия. А вскоре принцип устройства револьвера был использован в конструкции станка-револьвера, или, как его впоследствии стали называть, револьверного станка.

Продолжим сравнение. Токарный станок мог «выстрелить» только один раз, затем нужно было его «перезарядить» и затем снова «стрелять». Что это значит?

Рабочий у станка управлял движением каретки (супорта) с зажатым в ней инструментом. Он приближал супорт к вращающемуся изделию и, когда обработка заканчивалась, отводил супорт в исходное положение, останавливал станок, устанавливал для следующей операции, другой инструмент и снова пускал станок в ход.

Изобретатели избавили рабочего от перезарядки станка, и это был новый путь в области станкостроения. Они видоизменили верхнюю часть супорта, сделали ее многосторонней и поворотной, и закрепили на ней в нескольких гнездах серию инструментов по числу операций обработки изделия. Теперь рабочий, выполнив одну {62} операцию, отводил супорт (револьверную головку), не останавливая станка, и, нажав на рычаг, заставлял его повернуться: немедленно против изделия появлялся следующий инструмент для очередной операции. Опять подвод, супорта, затем снова отвод и новый поворот револьверной головки, — и очередной инструмент включался в процесс обработки изделия. Револьверная головка станка играет роль барабанного магазина револьвера, а инструменты — патронов.

Именно с изобретения револьверного станка, по сходству с револьвером, началось улучшение автоматизации обработки деталей.

Револьвер XIX столетия не был вполне автоматическим оружием. Ведь каждый выстрел требовал нажатия спускового крючка. Для каждого выстрела необходимо было вмешательство человека. А это превращало револьвер в полуавтоматическое оружие. Вот если бы один единственный нажим спускового крючка вызывал более или менее длинную очередь выстрелов, тогда револьвер мог бы называться вполне автоматическим.

В том же самом недостатке можно было упрекнуть и: револьверный станок: для каждой операции рабочему приходилось воздействовать на рукоятку, поворачивающую головку и подающую инструмент к вращающемуся изделию. Станок был автоматизирован только частично. Поэтому и задачи экономии рабочего времени и увеличения производительности решались тоже частично. Надо было вовсе освободить рабочего от возни с револьверной головкой, оставить за ним только наблюдение за ходом работы да еще пуск и остановку станка.

В конце концов станкостроители добились того, что однажды пущенный в ход настроенный станок автоматически обрабатывал весь материал, заложенный в подающий питатель. Таким питателем служит длинная труба, в которую закладывается обрабатываемый металлический пруток. Пока не израсходуется заложенный, в трубу пруток, станок работает без остановки; все операции обработки детали выполняются по очереди резцами, укрепленными на револьверной головке, но иногда ей «помогают» дополнительные супорты, которые, когда это требуется, также автоматически включаются в работу. {63}

Так работает одношпиндельный револьверный автомат, но еще более поражают устройство и работа многошпиндельных автоматов.

Сходство их с револьвером еще более полное. Несколько — четыре, шесть или восемь — подающих труб, расположенных по окружности большого барабана, образуют магазинный питатель станка. В трубы загружаются прутки обрабатываемого материала. Барабан заменяет переднюю бабку станка, в которой обычно зажимается обрабатываемый материал. Вдоль станины с обеих сторон расположены супорты. Их много, и они так приспособлены, что резцы можно подводить и с торца и с боков и одновременно выполнять несколько операций.

Такой станок еще до пуска надо «настроить», то есть «зарядить» супорты соответствующим инструментом, расположить их по позициям и наладить работу механизмов так, чтобы операции точно совпадали во времени или же следовали одна за другой.

Настройкой станков занимается специалист-наладчик. С момента включения двигателя и пуска станка активная роль наладчика и рабочего, обслуживающего станок, временно заканчивается. Станок работает до тех пор, пока есть материал для обработки или пока рука человека не нажмет кнопку «стоп».

Станок-автомат уже полностью напоминает револьвер. Магазин с прутками играет роль барабана револьвера, а супорт с инструментом — ударника. Но теперь это уже не полуавтоматический, а полностью автоматический револьвер. Поэтому такие станки так и называются «токарные автоматы».

Восемь позиций

Как работает, например, восьмишпиндельный токарный автомат при изготовлении массовой партии цилиндрического изделия определенных размеров? Восемь труб подводят к инструментам восемь прутков материала. Первый пруток подан на длину, заранее установленную с помощью упора. С торца прутка подходит супорт с зажатым в нем сверлом. Оно врезается в торец, сверлит неглубокое отверстие определенного диаметра. Поворот барабана — и первый пруток занимает вторую позицию, а восьмой пруток — первую. {64}

Теперь уже два прутка участвуют в работе. В торец первого прутка снова врезается сверло меньшего диаметра и углубляет отверстие. В это же мгновенье к изделию приближаются три резца. Один из них начинает отрезать изделие от прутка, но не доводит этой операции до конца. Другой резец протачивает канавку для кольца, которое позднее будет надето на изделие. И, наконец, третий резец начинает подрезать его передний конец.

Еще один поворот барабана. На первой и второй позициях все операции повторяются сначала, а на третьей — в просверленное отверстие входит специальное сверло, оно растачивает суживающуюся часть изделия, и одновременно новый резец, подошедший сбоку, окончательно обтачивает канавку для кольца.

Заготовка переходит на четвертую позицию. Сзади ее «догоняют» три прутка, проходящие через те же самые операции. На четвертой позиции в самую глубину проделанного отверстия вонзается еще одно сверло; он еще раз углубляет отверстие. Пока сверло выполняет свою работу внутри изделия, снаружи заканчиваются две операции: специальный инструмент «накатывает» донышко канавки под кольцо, а тонкий резец подрезает кромку донышка изделия.

На пятой позиции продолжается сверление, отверстие снова углубляется; специальный же торцовый инструмент зачищает донышко этого отверстия.

Пруток продолжает свое путешествие. На шестой позиции его ожидает широкий резец; режущая кромка его оформлена точно по профилю изделия. Резец подводится сбоку, снимает тонкую стружку металла и придает изделию наружный контур. В то же время внутрь вводится новый инструмент — продолжатель работы сверла. Это черновая развертка. С ее помощью развертываются, подгоняются в точный размер все три внутренних диаметра изделия, но пока еще только вчерне.

Чистовая развертка довершает эту операцию на седьмой позиции, но только по двум большим диаметрам. Одновременно с этим идет вытачивание на поверхности в задней части изделия еще одной кольцевой канавки, и тут же снимается фаска у торца.

Изделие совершает последний переход перед концом своего путешествия — оно на восьмой позиции. Еще одна {65} развертка окончательно обрабатывает самый малый диаметр отверстия, а снаружи тонкий «отрезной» резец заканчивает операцию, начатую еще на второй позиции, и... отрезает изделие.

Готовое изделие уходит в приемник, барабан делает еще один поворот, и восьмая позиция тут же занимается заготовкой, которая ожидает своей очереди; седьмую позицию занимает заготовка с шестой, шестую — с пятой, и так далее, а на первую позицию подается свежий пруток. И все повторяется сначала, пока не израсходуется материал или станок не будет остановлен.

Советский токарный шестишпиндельный автомат. На нем выполняется ряд операции обработки одного изделия: обточка, сверление, развертывание, нарезание резьбы, подрезание, отрезание и другие операции

Время, потраченное вами на то, чтобы прочесть краткое описание этого сложнейшего и полностью автоматизированного процесса, во много раз больше, чем длятся вся работа; ее продолжительность измеряется секундами.

Но изделие еще не готово. Ему предстоит пройти еще немало операций на автоматах-помощниках.

Автоматы-помощники

Чтобы превратить обработанную заготовку, вышедшую из токарного автомата, в готовое изделие, нужно {66} отшлифовать торец его днища, затем самый корпус, потом отфрезеровать внутреннюю резьбу, надеть и запрессовать на изделие кольцо и, наконец, обточить это кольцо. Все эти операции тоже в значительной степени автоматизированы. Наиболее ярко такая автоматизация показана в операциях запрессовки и обточки колец.

Станок, предназначенный для первой операции — запрессовки, оборудован двумя магазинными питателями. В одном из них находятся обработанные заготовки, в другом — медные кольца. Рабочий только загружает и подгружает питатели.

Питатели одновременно подают кольцо и изделие навстречу друг другу. В то мгновение, когда они встречаются, специальный толкатель вгоняет изделие в кольцо, которое как бы наползает на свою канавку; тут же приходят в движение восемь обжимающих губок: они обжимают кольцо и вминают его в глубину канавки.

Во время этой операции изделие неподвижно. Но как только обжимные губки закончат свою работу, оно как бы оживает. Подгоняемое толкателем, оно проходит через особое приспособление — протяжную матрицу с отверстием под окончательный размер кольца. Теперь уж кольцо плотно «усаживается» в свою канавку. Но изделие не останавливается, так как все тот же толкатель продолжает его гнать, выталкивает из матрицы и посылает в приемник.

Теперь надо обточить запрессованное кольцо. На помощь приходит очередной станок-автомат. Питатель его устроен наподобие механической руки. Эта рука подает изделия к патрону станка. Сжатый воздух закрепляет изделие на шпинделе. Затем сжатый воздух автоматически выключается, а рука-питатель возвращается в прежнее положение. За это короткое время обточка кольца заканчивается, прекращается вращение изделия. Патрон, в котором оно было зажато, освобождает его, а сжатый воздух выталкивает готовое изделие из патрона в наклонный жолоб. И пока изделие скользит по жолобу в приемник, рука-питатель неутомимо продолжает свою работу, резец обтачивает кольцо и весь цикл обработки повторяется без малейшего вмешательства человека.

«Зрячие» станки

Больше двух столетий назад супорт заменил руки рабочего-станочника. Резец зажала механическая рука {67} станка. Она, мы уже знаем, оказалась выносливей руки человека. Затем число механических рук станка было умножено, число инструментов в супорте увеличено, даже число супортов удвоилось и утроилось — станок стал многоруким. И, наконец, удалось автоматизировать движение этих механических рук. Движения их стали еще более быстрыми и точными, производительность возросла, а качество изделий стало еще лучше. В наше время во многих случаях рукам рабочего-станочника отведена скромная роль: во-время нажать кнопку управления станком, либо добавить материал в питатель станка, либо убрать уже обработанные станком детали.

Автоматизация освободила руки рабочего, но не его глаза. Во многих случаях только они должны подсказать рабочему, как вести обработку, чтобы точно были выдержаны размеры детали по чертежу, и достаточно ли качественно изготовляется деталь. Но и самый наметанный глаз квалифицированного станочника может ошибиться, когда изделия обрабатываются с точностью до тысячных долей миллиметра.

Но если глаза даже не ошиблись и точно уловили мгновение, когда следовало остановить инструмент, все равно возможна ошибка.

Ведь как ни быстро происходят мыслительные процессы в мозгу человека, все же, пока глаза передадут свои впечатления мозгу, пока он передаст приказ рукам и руки его выполнят, пройдут какие-то мгновения. А в течение этого ничтожного времени обработка изделия будет продолжаться, размеры и очертания его будут изменяться.

Заменить глаза станочника механическим «глазом», который бы точно, без ошибки улавливал размеры, очертания изделия и автоматически управлял движением инструмента во времени, — вот новая задача, которая встала перед станочниками.

Существует ли такой механический «глаз» или его нужно изобрести? Оказывается, существует и уже широко применяется в технике. Оставалось лишь как можно лучше приспособить его к станку, создать «зрячий» станок.

В технике этот «глаз» называется не «механическим»,— а «фотоэлектрическим». Существа дела это не меняет: так как свои приказы глаз передает через систему механизмов, — значит, его можно назвать и «механическим». {68}

Это — особый прибор, который называется фотоэлементом. Свет, падающий на фотоэлемент, возбуждает в электрической цепи прибора электрический ток, который течет по проводам все время, пока продолжается освещение прибора. Сила тока возрастает или падает в зависимости от большей или меньшей освещенности фотоэлемента. Вот на этом свойстве фотоэлемента и основано устройство механического глаза.

Фотоэлемент широко применяется в нашей жизни. Звуковое кино, передача изображений на расстояние, автоматическая сигнализация — во всем этом фотоэлемент нашел свое применение.

Рабочие механизмы связаны с очень чувствительным реле — электромагнитным прибором, настроенным так, что с уменьшением или увеличением тока до определенного уровня реле тут же «срабатывает». Это слово означает, что прибор либо замкнет, либо разомкнет электрическую цепь. В первом случае начнет действовать механизм управления каким-либо движением, во втором случае этот механизм выключится и движение либо изменится, либо прекратится.

Применяя фотоэлемент, конструкторы добиваются необъяснимых, чудесных, на первый взгляд, явлений.

Ползун быстроходного пресса, штампующего детали кузова автомобиля или самолета, работает с большой скоростью. Отдельные металлические листы, служащие заготовками, подаются под штамп вручную. Рабочий должен успеть, пока ползун взлетает вверх, подать на стол пресса новый лист. Это движение нужно сделать очень быстро и очень осторожно, чтобы руки рабочего не оказались слишком близко к ползуну. Один миг запоздания — и могучий ползун расплющит руки рабочего. Рассчитывать только на внимание нельзя, на работе возможны всякие случайности: что-то на мгновение задержит движение рабочего, и несчастье неизбежно. Конечно, можно оградить опасное место так, чтобы руки рабочего не могли попасть под ползун. Но такое ограждение, несомненно, помешает работе. Значит, надо придумать какую-то иную ограду, которая надежно охраняла бы руки рабочего и в то же время не мешала работе. И тут на помощь работникам техники безопасности пришла техника фотоэлемента. {69}

Надежным ограждением служит пучок света, направленный на фотоэлемент. Ограждение расположено так, что под ним свободно проходит заготовка. Но если руки рабочего последуют за ней слишком далеко и окажутся в угрожающей близости от уже летящего вниз ползуна, луч света разорвется, освещенность фотоэлемента мгновенно уменьшится, реле в цепи фотоэлемента сработает, двигатель станка выключится, и ползун замрет, будто перед невидимым препятствием. Так работает механический глаз.

Применение фотоэлемента для контроля и сигнализации многообразно: фотоэлемент как привратник-невидимка раскрывает ворота гаража перед быстро въезжающим автомобилем, распахивает двери перед посетителем, останавливает поезда перед внезапно возникшим препятствием, считает и сортирует изделия... Естественно, что у станочников возникла мысль: нельзя ли приспособить фотоэлемент к станку так, чтобы он заменил глаза рабочего, чтобы станок сделался «зрячим»?

Изобретатели и конструкторы стали создавать одну за другой конструкции «зрячих» приспособлений и станков. Это чудесные «умные» механизмы и машины, автоматически выполняющие такие работы, которые казались немыслимыми без вмешательства человека.

До сих пор речь шла об изготовлении деталей с прямыми очертаниями — цилиндров, плоскостей, конусов. Движения инструмента или изделия при такой обработке довольно просты. Но не всегда детали машин бывают такими простыми: бывает нужда и в изделиях с криволинейными фасонными очертаниями. В таких случаях приходится так приспосабливать движения супорта с инструментом или стола станка, чтобы в разных местах с поверхности изделия снимались и разные по толщине слои металла. Изделия с фасонными очертаниями приходится обрабатывать на разных станках — на токарных и фрезерных. Специальные приспособления — шаблон или копир — заставляют инструмент повторять очертания изделия по чертежу и точно его обрабатывать. Станки эти называются копировальными. Им дали такое название потому, что инструмент в своем движении копирует линию профиля шаблона или копира. Именно такой станок впервые был создан А. К. Нартовым. Следуя по линии профиля копира, резец снимает стружку и воспроизводит на {70} заготовке такие же очертания, копирует их. Но тут возможны всякие погрешности: и пружина может неточно сработать, и кромка копира износится, и очертания изделия могут получиться неправильными. А рабочий не заметит этой неправильности, будет продолжать обработку, изделие выйдет в брак.

Чтобы избежать этого, станкостроители прибегли к помощи фотоэлемента, который управляет движением резца и как бы следит за тем, чтобы очертания изделия точно совпадали с очертаниями копира.

На салазках супорта в застекленной рамке помещается копир, изготовленный из непрозрачного материала. Сверху от источника света на кромку копира направляется световой кружок очень малого диаметра — яркая световая точка. Под рамкой находится фотоэлемент, электрическая цепь которого связана с механизмом движения супорта.

Пучок световых лучей падает на рамку в точку начала профиля копира. Яркий глазок внимательно следит за линией профиля, послушно следуя всем его изменениям. А резец или иной инструмент станка так же послушно обрабатывает изделие, точно воспроизводя все извилины фасонного профиля.

Существуют, ставшие уже обычными, копировально-фрезерные станки. Эти станки не «зрячие», скорее, наоборот, их можно назвать «слепыми». «Палец» копирующего механизма, точно ощупывающая рука слепого, скользит по контурам образца-эталона изделия. Все движения «пальца» через систему рычагов передаются фрезе, и она воспроизводит из металла заготовки точно такое же изделие. Копировальный станок тоже следует отнести к «умным» машинам. Но еще «умнее» копировально-фрезерный станок с механическим глазом, не «слепой», а «зрячий» станок.

Конструкция его разработана советскими инженерами. Световой «глазок», как и в токарно-копировальном станке, на этот раз скользит не по кромке шаблона, а по линиям чертежа изделия. Станок «читает» чертеж. Все «зрячее» устройство станка жестко связано с фрезой, которая и воспроизводит контуры изделия. «Глаз» станка устроен так, что при малейшей попытке светового кружка уклониться от линии чертежа механизм срабатывает, заставляя кружок вернуться на точный путь, указанный ему глазом. {71}

Советские станкостроители одержали много побед на пути к созданию наиболее совершенных станков. В 1951 году еще одна группа советских инженеров была удостоена высшей награды — Сталинской премии за создание уникального электрокопировального токарно-винторезного станка.

Советский копировально-фрезерный полуавтомат. Управление работой станка с помощью электронных устройств по системе, созданной советскими изобретателями

Изобретатели-станочники постепенно вооружают механическим глазом многие станки. Конструкторы добиваются того, что станок замечает микроскопически малые неровности, оставшиеся на точных плоскостям, и снимает их, сглаживая поверхность. Тот же прибор на шлифовальных и других доводочных станках улавливает момент, когда нужно выключить инструмент, чтобы не «запороть» деталь. Доводочной обработкой снимают тончайшие стружки; достаточно, например, допустить лишних два-три оборота шлифовального круга, и изделие выйдет в брак. Рабочему то и дело приходится останавливать станок {72} и проверять размеры детали. Механический «глаз» освобождает рабочего от такой потери времени, неотступно следит за размером изделия и стережет, чтобы не было отступления от чертежа. В то мгновение, когда этот размер достигнут, прибор выключает движение инструмента. Точность, с которой в этом случае механический глаз измеряет изделие, доходит до одного микрона.

*  *  *

Все эти удивительные достижения техники станкостроения, основанные на всесторонней электрификации и автоматизации рабочих процессов, наиболее полно выражены только в конструкциях советских станков. В западных странах капиталисты-промышленники стремятся предельно увеличить свои прибыли путем выжимания из станка наибольшей производительности за счет сил и здоровья рабочих. Это стремление выражено и в конструкциях станков.

Совсем недавно в цехах некоторых американских машиностроительных заводов можно было наблюдать более чем странную картину перед станком «танцевал» рабочий. Извиваясь всем корпусом, он выделывал руками и ногами повторяющиеся движения какой-то судорожной пляски. Эти движения следовали одно за другим с невероятной быстротой, струйки пота стекали с лица рабочего.

И только при ближайшем рассмотрении оказывалось, что рабочий «танцует» по самой настоящей неволе. Вместо пояса на нем был надет... обыкновенный хомут, связанный с револьверным супортом станка. Станок работал, руки и ноги рабочего управляли многочисленными рукоятками и педалями, которые в свою очередь управляли, движениями различных частей машины. Рабочий-станочник превратился в механический придаток машины, в ее раба. Рабочие окрестили этот станок «чарльстоном» — так называется американский танец, состоящий из нелепых, быстрых и судорожных движений.

Совсем другое дело — советские станки. Рабочий у полностью электрифицированного и автоматизированного станка — подлинный хозяин машины. Он заботливо и внимательно наблюдает за ее работой, тщательно следит за стрелками-указателями приборов, во-время предупреждает возможность брака или перебоя в работе. Ему не {73} приходится физически напрягаться, работать через силу. Управление современным советским станком — это работа ума, а не силы. Нужно только знать станок, все его механизмы, чтобы лучше видеть пути для улучшения и ускорения работы станков, для увеличения их производительности. И советские станочники решают эти задачи наилучшим образом. Успехи советских станкостроителей позволили изготовлять с высокой производительностью и точностью самые сложные изделия.

Глава IV. ЧУДЕСНЫЕ ЛИНИИ

Следующий шаг

Итак, машиностроители сначала обзавелись механическим «помощником», не так уже давно — электромеханическим, и, наконец, появился «помощник» автоматический. Но потребность в увеличении производительности снова резко возросла. Великая Отечественная война и затем всенародная борьба за выполнение грандиозного плана послевоенной пятилетки требовали решительного улучшения средств производства и нового, еще большего увеличения производительности труда. На основе широко развернувшегося социалистического соревнования большие победы в этой области одержаны отрядом советских станочников и станкостроителей-новаторов.

Если на станках работали одиночные резцы, рационализаторы увеличивали их число и включали в одновременную работу несколько одинаковых или различных инструментов.

Если на станке обрабатывалась только одна деталь, рационализаторы изобретали и прилаживали к станку приспособления, которые умножали число обрабатываемых изделий.

Если станки не были автоматическими, рационализаторы показывали, как простейшие добавления к устройству станка — зажимные приспособления, упоры-остановы, механические пускатели — частично автоматизируют станок, освобождают руки, глаза, внимание рабочего для другой работы.

Можно привести великое множество примеров, когда стахановцы-рационализаторы и изобретатели сами совершенствовали свои станки, многократно увеличивали их производительность. Они доказали, что и самый {74} обыкновенный станок можно сделать чудесной машиной. Нужно только пытливо изучать все возможности станка, тщательно их продумать и затем повседневно, настойчиво искать пути увеличения производительности станка и своей собственной работы.

Во многих случаях стахановцы-станочники совершенствовали устройство станков-полуавтоматов, превращая их в полные автоматы. В таких станках вся обработка изделия выполнялась автоматически, но зажимать изделие для обработки и снимать его со станка приходилось рабочему. То, чего не смогли сделать конструкторы, создавшие эти станки, сделали разум и умелые руки стахановцев-изобретателей и рационализаторов.

В цехах многих машиностроительных и металлообрабатывающих заводов нашей страны неавтоматические станки составляли большинство. Поэтому творческая работа изобретателей и рационализаторов имела (и имеет) огромное значение: она большими шагами двинула вперед советское машиностроение. Наши конструкторы создали десятки новейших станков. На этих станках возрастали скорости обработки, множилось количество одновременно работающих инструментов, увеличивалось число обрабатываемых изделий, и все меньше и меньше в работе станка участвовали руки рабочего.

И тогда советские станочники сделали следующий шаг в области автоматической обработки.

Представим себе, что все станки в цехе работают автоматически. Как будто тогда и весь цех можно назвать автоматическим! Верно ли это? Нет, неверно! Ведь по-прежнему нужно, чтобы за каждым из этих станков или за небольшой группой станков наблюдал рабочий, чтобы он подавал заготовки, а другие рабочие передавали изделия от станка к станку и следили, чтобы ничто не тормозило работы станка, не создавало затора. Нужно было сделать так, чтобы станки обслуживались приборами, чтобы эти приборы даже «наблюдали» за ними, чтобы целые линии станков работали как один огромный автомат, от начала до конца изготовляющий сложное изделие.

Этот, следующий, шаг к новым чудесам в станочной обработке уже сделали станочники-рационализаторы нашей страны.

Началось с того, что рабочие, передовики социалистического соревнования, мастера своего дела, путем разумной {75} и тщательной организации своего рабочего места и труда добились возможности обслуживать не один, а два и более станков.

Этот опыт быстро распространился на предприятиях нашей страны. И тогда из среды станочников выдвинулись особо талантливые люди, творцы-изобретатели, стремящиеся увеличить число обслуживаемых станков, поуже не только за счет рационализации труда, а за счет усовершенствования станков и механизации связи между ними.

На шарикоподшипниковом заводе имени Л. М. Кагановича кольца подшипников обрабатывались на токарных полуавтоматах. Это первоклассные станки. Каждый такой станок без вмешательства человека выполняет девять сложных операций — девять инструментов по очереди обрабатывают изделие. Но заготовка кольца надевалась на шпиндель рабочим; ему же приходилось снимать изделие со станка.

Тогда один из работников этого завода приспособил к станкам «механические руки», которые ставят на место заготовку кольца, снимают обработанное изделие, передают его и надевают на шпиндель второго станка для окончательной обработки. Они же снимают уже изготовленное кольцо и подают в приемный жолоб-лоток.

На том же заводе четыре шлифовальных станка последовательно обрабатывали ролики подшипников. На каждом станке выполнялась только одна операция. Ролики передавались от станка к станку вручную. В процессе работы было замечено, что ролики не падали в приемник изделий, а по инерции, полученной от вращения, выбрасывались с большой силой. Оседлать эту силу, заставить ее помогать станкам — такую задачу поставил перед собой изобретатель. И решил ее с успехом. Он соединил четыре станка трубками. Ролик, выброшенный из-под шлифовального инструмента первого станка, попадал в трубку, соединенную со вторым станком. Один за другим изделия набивались в трубку, толкали передние ролики, заставляя их двигаться от станка к станку. Так четыре станка как бы срослись в один.

Так получилось, что многостаночники в конце концов превращали ряд станков, занятых различными операциями изготовления одного изделия, как бы в единый огромный станок. {76}

Движение многостаночников, возникшее незадолго до начала Отечественной войны, широко развернулось в машиностроительной промышленности.

Все смелее становились наши многостаночники, их техническое новаторство делалось все более дерзким и глубоким.

В предвоенные годы на Сталинградском тракторном заводе рабочий И. Иночкин обратил внимание на то, что многочисленные, но однообразные вспомогательные операции обработки на пяти разобщенных станках одной из деталей гусеницы трактора требуют слишком большого времени и физического труда. Иночкин поставил перед собой трудную задачу — превратить все пять станков в единое, автоматически работающее устройство, которое без промежуточного вмешательства человека, а значит и без потерь времени и затраты физического труда, обрабатывало бы самую ступицу, насаживало бы на нее другую деталь — бандажное кольцо, затем выполняло следующие конечные операции и выпускало {77} изделие в готовом виде. И он решил эту задачу, превратил все пять обычных станков своего участка в «разумные» машины, механически принимающие обработанные изделия из промежуточных магазинов, выполняющие очередные операции обработки и передающие их от одной к другой. По сути дела, связанные воедино, эти пять станков представляли собой первую в мире автоматическую линию — небольшой цех-автомат, обслуживаемый одним рабочим и одним наладчиком.

На помощь передовым станочникам пришли инженеры-новаторы. Опираясь на опыт рационализаторов, они конструировали новые и новые приспособления и устройства.

Так, например, еще в годы войны на Уральском вагоностроительном заводе появился «автоподручный» — на редкость простое и «умное» электрическое устройство, позволяющее рабочему-многостаночнику на расстоянии видеть и наблюдать за работой многих обслуживаемых станков. Этот электрический помощник станочника был создан молодыми советскими инженерами.

Основа этого прибора — светофор, оборудованный звуковой сигнализацией, своего рода «зеркало» работающей группы станков. Оно соединено с электрическими механизмами-регистрами, смонтированными на каждом станке. «Автоподручный» управляет всеми движениями станка, меняет число оборотов шпинделя, переключает ход, останавливает станок. Рабочий только закрепляет изделие (если станок неавтоматический), подводит режущий инструмент и настраивает регистр на обработку по заданным размерам. Остается только включить двигатель станка, и «автоподручный» сам будет следить, чтобы все было в порядке.

Вот тут-то и начинается работа «зеркала». Регистр все время сигнализирует светофору-«зеркалу», как идет работа. Если все в порядке, «зеркало» ничего не отражает и светофор «молчит». Только за 30 секунд до окончания операции раздается громкий сигнал, и тут же в «зеркале» загорается зеленая цифра — номер станка. Это значит, что за оставшиеся полминуты рабочий обязан подойти к станку, снять изделие и установить заготовку. Если рабочий опоздает, то в момент окончания операции прозвучит еще один сигнал — спокойный зеленый цвет номера станка на светофоре изменится на тревожный {78} красный, точно упрекая рабочего в невнимании. Станок замрет, перестанет работать.

В те же годы большие успехи наших станочников и специалистов автоматики позволили шагнуть далеко вперед по пути к полной автоматизации машиностроения. Уже существовал цех, в котором отдельные станки были установлены так, что каждое изделие в процессе обработки совершало свой путь по определенной кратчайшей линии. Над линией — мост-эстакада, по которому передвигались электрифицированные механические «руки». Они «внимательно» стерегли момент, когда станок закончит операцию. В то же мгновение «руки» цепка схватывали деталь и точным движением устанавливали его на следующем станке. И так от станка к станку...

В начале линии подающий лоток «отпускал» первому станку грубую заготовку, а в ее конце — с последнего станка — сходила и укладывалась в приемный магазин, полностью изготовленная деталь.

Но разве где-нибудь в линии не могла произойти какая-нибудь неточность и вызвать брак по размерам ил» по весу?

Конечно, могла! Только такому изделию не суждено было дойти до конца линии. Оно автоматически выключалось из процесса обработки. И делали это удивительные машины, автоматические контролеры, о которых будет рассказано ниже.

Система световых и звуковых сигналов помогала диспетчеру и наладчикам управлять линиями станков, обеспечивать бесперебойность их работы.

*  *  *

Но несмотря на все эти успехи еще многого надо было добиться для наиболее совершенной автоматизации металлообработки и машиностроения. Ведь во всех случаях, с которыми мы ознакомились, автоматизация коснулась лишь подачи заготовок, крепления их на рабочих позициях, передачи с одной позиции на другую и приема готовых изделий. Но станки оставались те же, их только по возможности приспосабливали к условиям работы в единой автоматической линии. А эти условия требовали, большего, именно — специально устроенных станков, на много более производительных. Все устройство этих новых станков должно было заранее быть приспособлено {79} к участию в автоматическом производственном процессе. И советские инженеры создали такие совершенные машины.

Новое «слово»

Это было время, когда страна наша победоносно завершила первую сталинскую пятилетку и успешно шла к вершине второй. Стране нужно было очень много машин, таких, которые работают в просторных залах электростанций и снабжают энергией заводы и фабрики, двигают по рекам, морям и железным дорогам миллионы тонн сырья и материалов. Стране нужны были машины, которые помогают строить заводы и жилища, изготовляют одежду и пищу и, наконец, боевые машины — пушки, танки, самолеты, усиливающие боевую мощь Советской Армии.

Значит, нужны были и машины-станки, на которых изготовляются детали всех этих и других машин. Эти станки нужно было сделать как можно более производительными и точными, чтобы в короткие сроки они давали побольше продукции высокого качества. Значит, надо было создавать новейшие станки, такие, которые перекрывали бы все известные, уже освоенные нормы производства.

Выполняя указания товарища Сталина, его верный соратник Серго Орджоникидзе собрал талантливых, энергичных советских инженеров во вновь созданном специальном экспериментальном научно-исследовательском институте металлорежущих станков (ЭНИМС). Среди них был и Владимир Иванович Дикушин, «неспокойный» человек, внесший в станкостроение новаторскую идею, непрерывное и упорное искание новых, более совершенных конструкций. Под его научным и техническим руководством наши новаторы-станкостроители пошли вперед, добились больших успехов.

Вокруг В. И. Дикушина, учась у него, постепенно сложился и вырос крепкий коллектив талантливых конструкторов, влюбленных в свое дело, не удовлетворяющихся достигнутым, целиком отдавшихся служению благородной цели — непрерывному умножению производительности труда в машиностроении, творческой работе над созданием совершенных советских станков.

И на первый план В. И. Дикушин выдвинул идею агрегатирования станков. {80}

Что означает термин «агрегатирование»?...

Десятки тысяч слов нашей речи образуются из строго ограниченного числа одних и тех же 32 букв. И не существует такого слова, которое нельзя было бы сложить из них. И точно так же все многообразие машин, для чего бы они не были предназначены, рождается из ограниченного числа одних и тех же деталей. Не существует такой машины, в конструкции которой можно было бы обнаружить еще неизвестную по своему служебному признаку деталь. Может случиться (и часто бывает), что одна и та же деталь в разных конструкциях по-разному оформлена, но ее служебный признак, ее рабочая «обязанность» остается той же. Значит, конструктор-изобретатель {81} имеет также свой технический «алфавит», который является неисчерпаемым источником для создания новых, более совершенных станков и машин.

Творческий материал конструктора — стандартные узлы и детали и схема их использования при создании агрегатных станков. Стрелками и номерами показаны узлы и детали и место их использования в конструкциях станков.

Цифрами 1—13 показаны основные узлы и детали станков, а дробными числами — отдельные части и детали главных узлов: силовой головки 3 (цифры знаменателя в дробях с числителем 3) и шпиндельной коробки 4 (цифры знаменателя в дробях с числителем 4)

На основе такого «алфавита» В. И. Дикушин развил свой творческий метод и показал станкостроителям, как продолжить его. Пусть, предложил он, конструктор-станкостроитель представит себе будущий станок целыми узлами деталей, образующими одну какую-либо рабочую или служебную часть машины. Пусть такие узлы деталей будут спроектированы и созданы заблаговременно, как творческий материал для работы конструктора. Но, самое главное, эти узлы-агрегаты должны быть пригодны для того, чтобы из того или иного сочетания их можно было создавать все новые и новые станки — «агрегатные» станки. В целях создания и усовершенствования такого рода станков и было организовано в составе ЭНИМС Центральное конструкторское бюро агрегатных станков (ЦКБАС) во главе с В. И. Дикушиным.

В тот год Сталинградский тракторный завод перестраивал свое производство с колесного трактора на гусеничный. Новая конструкция трактора поставила перед станкостроителями и новые технические задачи — надо было создать, и притом скоро, такие станки, которые могли бы очень быстро и точно обрабатывать сложные трудоемкие детали новой машины.

В конструкции тракторов, автомобилей, самолетов, металлообрабатывающих станков входят так называемые «корпусные детали», крупные коробчатые части с большим количеством отверстий на каждой стороне. И каждое из этих отверстий надо просверлить, расточить, в некоторых нарезать резьбу. Эта особенность корпусных деталей наиболее ярко выражена, например, в блоках цилиндров двигателей тракторов, грузовых автомашин, самолетов.

Очень много времени, станков и, главное, рабочих понадобилось бы, если бы каждое отверстие пришлось обрабатывать в одиночку.

Но творческая мысль наших конструкторов-станкостроителей объединила все эти станки и все их инструменты в едином огромном станке, оснащенном десятками инструментов. Появились новые чудо-станки, которые и получили название «агрегатных». Они почти вовсе не были похожи на обычные станки. Вместо супортов — {82} «головки», каждая из них несет несколько групп инструментов, сверлильных, расточных или нарезающих, и они подводятся к изделию или с одной его стороны (одна головка), или с двух, или с трех (две, три головки).

Представьте себе такой станок с одной подающейся сверху головкой. В ней несколько групп инструментов: и сверла, и развертки, и метчики. А под ней, на столе станка, в особом приспособлении зажимается деталь.

Односторонний горизонтальный сверлильный агрегатный станок: 7 — станина; 2 — подставка для приспособления; 5 — силовая головка; 4 — панель управления; 5 — шпиндельная коробка; 6 — приспособление

В приспособлении — несколько рабочих позиций, и деталь автоматически перемещается по этим позициям от первой до последней. Нажим кнопки — и головка мягко подается вниз, все ее инструменты вращаются, но... когда деталь в первой позиции, в нее вонзаются только сверла, остальные инструменты работают вхолостую. Это длится секунды. Первая операция — сверление — закончена, и тут же деталь автоматически перемещается на следующую позицию, а первую занимает новое, такое же изделие. Теперь, когда снова опускается головка, сверла вонзаются в новое изделие, но в то же время и развертки включаются в работу — они развертывают под резьбу рассверленные {83} отверстия первой детали. Снова поднялась головка, и снова переместились детали. Третье изделие включено в обработку, и уже, кроме сверл и разверток, выполняют свое дело и метчики. Они нарезают отверстия первой детали. Наш станок теперь полностью загружен. Одна за другой детали обрабатываются режущими кромками всех групп его инструментов.

Вертикальный 54-шпиндельный сверлильный агрегатный станок: 1 — основание; 2 — колонна; 3 — силовая головка; 4 — шпиндельная коробка; 5 — приспособление

Еще до начала Великой Отечественной войны наша Родина оказалась вооруженной высокопроизводительными агрегатными станками, которые сыграли свою важную роль в бесперебойном снабжении Советской Армии вооружением.

За эту большую заслугу перед страной в марте 1941 года инженер-новатор и ученый, инициатор агрегатирования Владимир Иванович Дикушин одним из первых в стране был удостоен высокой награды — Сталинской премии.

В течение 1943 и 1944 годов две большие группы инженеров-станкостроителей были удостоены такой же высокой награды за создание новых высокопроизводительных агрегатных станков для военной промышленности. Огромное значение этих достижений видно из того, что в законе о пятилетнем плане восстановления и развития народного хозяйства (1946—1950 гг.) было указано: обеспечить освоение новых, технически более совершенных видов машин высокой производительности — многошпиндельных агрегатных станков. {84}

В 1947 году Центральное конструкторское бюро агрегатных станков ЭНИМС (ЦКБАС), укомплектованное кадрами опытных конструкторов и руководителей, выделилось из института в новую самостоятельную творческо-техническую организацию СКБ-1. В период подготовки, начала и освоения нового производства эта организация приходит на помощь многочисленным машиностроительным заводам страны.

Советский трехсторонний 74-шпиндельный резьбонарезной агрегатный станок

*  *  *

С начала послевоенной пятилетки наше машиностроение получило и непрерывно получает все новые и все более {85} сложные задания. Быстро множатся заводы, выпускающие новые типы машин.

Государственные планирующие органы диктуют старым, новым и только что родившимся заводам, какие машины им следует выпускать и в каком количестве. Заводам, исполнителям этих заданий, они устанавливают то количество станков, которыми станкостроение должно их обеспечить, а технологи каждого завода разрабатывают собственные планы — планы выполнения задания и те производственные и технические пути, по которым следует идти к цели.

На этих путях встречаются немалые трудности. Их надо заранее учесть, быстро преодолеть и найти новые, наилучшие способы решения поставленной задачи. И тогда руководители завода вспоминают об СКБ-1 и идут за советом и помощью. Там они показывают свои расчеты и планы, знакомят с заданиями планирующих органов, рассказывают, в чем именно заключаются их трудности. В ответ СКБ-1 советует, на каких станках целесообразнее всего решать поставленную задачу и, самое главное, если в цепи намеченного производственного процесса обнаружится пробел и если для данного участка не найдется подходящего станка или станков, СКБ-1 само берется за их создание.

СКБ-1 это своеобразная производственная организация со строгим графиком и планом. Ее продукция — это разработка высокопроизводительных технологических процессов в машиностроении и конструирование новых чудо-станков для этих процессов.

Так день за днем уже несколько лет работает это учреждение — первое специальное конструкторское бюро станкостроения или сокращенно — СКБ-1.

Конструкторы, руководители конструкторских бригад составляют передовой отряд советских инженеров-станкостроителей, которые упорно и смело идут по трудному пути, проложенному В. И. Дикушиным.

Уже в конце войны великий Сталин поставил перед страной задачу быстрейшего восстановления и гигантского развития народного хозяйства. Осуществление мудрых сталинских предначертаний потребовало нового взлета, скачка в области станкостроения, нового шага вперед по пути создания еще более производительных станков и машин. {86}

Советские инженеры-станкостроители справились с этой задачей. Взяв за основу новые «буквы» технического алфавита — агрегатные станки, они сумели сложить из них новое «слово» станкостроительной техники. Поставив целый ряд агрегатных станков в одну линию, они соединили их таким образом, чтобы весь процесс обработки детали от начала и до конца протекал в этой линии автоматически, без вмешательства человеческих рук, как в одном автоматическом станке.

Они добились того, чтобы электрический ток управлял движением всей линии станков, многочисленных головок с разнообразными инструментами, чтобы потоком двигались изделия от станка к станку в строго соблюдаемые интервалы времени между последовательными операциями.

Автоматические линии

В цехе завода еще издали бросается в глаза вытянувшийся в длину почти на 20 метров необычный станок. Но когда мы подойдем к нему ближе, то увидим, что это не один, а восемь агрегатных станков, выстроенных в линию. Они стоят сомкнутым строем, и те места в станках, где будет последовательно обрабатываться блок цилиндров двигателя грузового автомобиля ЗИС-150, соединены между собой длинной штангой, проходящей сквозь всю линию.

На штанге на равном расстоянии друг от друга расположены особые детали-захваты, которые называются «собачками». Головки станков оснащены сотнями сверл, разверток, метчиков и других инструментов; они размещены так, что точно войдут в многочисленные отверстия в теле блока и прямо сверху, и сбоку, и под углом для обработки наклонных отверстий. Над сквозной штангой образовался своего рода туннель, проходящий сквозь все восемь станков. Это будущий путь обрабатываемого блока.

У начала этого пути перед первым станком расположен пульт управления; около него — один человек, он наблюдает за тем, как работает вся линия, как действуют отдельные ее станки и устройства. Против входа в «туннель» уже приготовлены отливки блока, которые нужно обработать. {87}

Человек нажимает пусковую кнопку — и вся линия станков оживает. Сквозная штанга словно дернулась вперед, ее захваты включились в работу, один из них, первый в линии, зацепил и увлек за собой первый блок, точно поставил его на рабочее место в первой позиции линии, и тут же вся штанга подалась назад.

Зажимные приспособления мгновенно «вцепились» в изделие, надежно закрепили его на месте. А в это время точным, размеренным движением подались к поверхностям блока головки станков сверху и сбоку. Миг — и в изделие вошли многочисленные инструменты; проходят десятки секунд — инструменты сделали свое дело и отошли назад.

Снова дернулась вперед штанга. На этот раз она зацепила первый блок и переставила его дальше, в промежуток между двумя первыми позициями, и одновременно захватила второй блок, увлекла его на первую позицию.

Теперь следующий блок проходит через начальные операции, а первый как бы ожидает своей очереди попасть под инструменты второй позиции.

Еще раз протекают те же десятки секунд и еще раз рывком вперед штанга подает первый блок на вторую позицию, перемещает второй блок на промежуточную и, захватив третий блок, увлекает его под инструменты первой позиции. На этот раз в первом блоке уже рассверливаются наклонные отверстия и продолжается обработка прямых отверстий в боковой поверхности.

Затем штанга еще и еще раз совершает свои точные, размеренные движения — вперед и назад, вперед и назад — и каждый раз продвигает по линии первое изделие и включает в обработку новый, следующий блок.

А там, у пульта, советский человек—властитель линии станков — следит за тем, как включаются все новые и новые позиции.

Наконец, все они работают, даже последняя — восьмая. Еще около двух минут — и из туннеля линии выходит обработанный блок.

С того момента, когда это изделие поступило на первую позицию, были обработаны несколькими операциями десятки отверстий. 224 инструмента участвовало в работе. Изделие прошло путь в 17,2 метра.

И на всем этом пути ни разу не вмешалась рука человека. Но его творческая мысль, выраженная в автоматически действующих устройствах, управляла на {88} расстоянии работой десятков точных электрических приборов: магнитными пускателями, переключателями, промежуточными реле, реле времени. Двенадцать километров проводов связали между собой всю систему линии. Они не только разносили приказы с пульта управления, но и приносили туда и рисовали на экранчиках в виде световых сигналов своего рода отчеты станков об их работе, о перебоях, замедлениях, остановках.

Каждая позиция линии имеет три световых «контролера» — три электролампочки под тремя экранчиками. Одна доносит о работе головок, другая — о работе зажимных приспособлений, третья — о работе штанги и ее захватов на данном участке.

Вот головки включились в работу, подались к изделию — лампочка вспыхнула, «доложила» об этом, вот они отошли назад — лампочка погасла, «сообщила», что все в порядке. А если что-то случилось с механизмами, если головка не подается назад, тогда лампочка не погаснет, будет тревожно и настойчиво сигнализировать о неполадке. Так же работают и те лампочки, которые контролируют работу зажимных приспособлений и штанги.

Но ведь на линии восемь позиций, значит все время перед глазами рабочего у пульта управления будут мелькать и путаться 24 световых сигнала. От этого можно быстро устать и потерять способность разбираться во всем этом световом калейдоскопе.

Чтобы этого не случилось, на пульте предусмотрены еще три экранчика с тремя контрольными лампами Одна из них обслуживает головки всех позиций, другая — все зажимные приспособления, третья — все участки подающей штанги. И только эти три лампы, подавая сигналы, вспыхивают и гаснут. За тремя лампочками уже не трудно наблюдать.

Но вот одна из них, та, что «следит» за зажимом изделия, вспыхнула и... не погасла. Это значит, что где-то на линии недоработало зажимное приспособление — когда окончилась операция, оно не отпустило изделие, а это и застопорило всю работу.

А где же именно произошла неполадка? Чтобы узнать это, достаточно включить всю линию лампочек, контролирующих зажимные приспособления. Все они вспыхнут, кроме одной — той, которая связана с позицией, {89} где случилась неполадка, авария. Теперь рабочему точно известно, где на линии нужна его помощь.

Кончается смена, линию надо остановить. Это надо сделать так, чтобы все ее рабочие части (головки, зажимные приспособления, штанга) полностью закончили свои операции и вернулись в исходное, начальное, положение. А ведь в момент окончания смены все они могут оказаться где-то на разных участках своего рабочего хода, и нажатая на пульте кнопка может их так и остановить. Оказывается, нет, этого не случается.

Существует еще особое устройство, которое так срабатывает, что при остановке линии рабочий ход ее исполнительных частей, где бы в этот момент они не находились, продолжается до того, как они придут в свое начальное положение. Тогда наступает покой, линия «отдыхает» до новой команды с пульта, до нового нажима пусковой кнопки.

Так работает первая автоматическая линия для изготовления блоков цилиндров двигателя грузовых машин ЗИС-150. Именно первая, потому что всего их четыре.

На первой линии обрабатывались отверстия верхней и двух боковых поверхностей блока. Но ведь есть еще торцевые поверхности и в них тоже отверстия, которые надо обработать. Для этой цели служит вторая автоматическая линия. Она меньше первой, ее длина немного больше 7 метров.

Затем нужно обработать отверстие нижней поверхности блока. Это осуществляется на третьей линии, такой же длинной и сложной, как первая; в ней тоже работают 250 различных инструментов.

И, наконец, существуют еще так называемые «клапанные» отверстия, которые обрабатывает четвертая линия.

Каждая линия выпускает очередной блок через две минуты, а работают они одновременно. Непрерывной чередой двигаются блоки от одной линии к другой. Поэтому, после того как все четыре линии полностью загружены, через каждые две минуты с последней позиции четвертой линии выходит блок с полностью обработанными отверстиями. Весь путь, пройденный блоком, немного меньше 60 метров. Десятки блоков тесно следуют друг за другом на этом пути, проходя под остриями около 600 различных инструментов 45 головок. {90}

Раньше та же работа выполнялась на 22 разобщенных многошпиндельных агрегатных станках с 40 головками и на 20 универсальных вертикально и радиально-сверлильных станках. Для изготовления одного блока затрачивалось 75,5 человеко-минуты. Автоматические линии уменьшили это время почти в 10 раз и во столько же раз уменьшилось количество занятых рабочих — вместо 65 только 7.

Такие же высокопроизводительные автоматические линии станков создали советские станкостроители и для обработки головок двигателя трактора «СТЗ-НАТИ», блоков двигателей малолитражных автомобилей и других деталей.

Так передовой отряд советских инженеров-новаторов помог выполнению плана великих послевоенных работ, создав подлинные конвейеры точности. Так он дал новое, наиболее передовое решение давней задачи — упрощения и ускорения процесса обработки металла за счет решительного увеличения производительности орудий труда.

Конструкторам есть чем гордиться. Среди них много знатных людей — лауреатов Сталинской премии. Секрет их больших успехов — в постоянной неудовлетворенности достигнутым, в непрестанном стремлении улучшить уже сделанное, создать новое, еще более совершенное.

Для советских конструкторов автоматические линии, о которых мы рассказали, уже пройденный этап.

На них они учились, осваивали азбуку автоматических линий, накапливали опыт, уверенность, воспитывали в себе смелость технических дерзаний.

Уже родились и новые автоматические линии для обработки головки мотора. На одной линии протяженностью в 48 метров сплошной чередой выстроились 20 станков.

На этом длинном пути деталь несколько раз автоматически поворачивается, чтобы подставить под инструменты то одну, то другую свою поверхность. Когда последняя из обрабатываемых головок сойдет с последнего станка линии, за ней в очередь выстроятся 130 головок.

И каждые 3 минуты 15 секунд вслед за первой головкой будет сходить с этого «конвейера точности» следующее, полностью обработанное изделие, именно {91} полностью. Ведь в линиях «вчерашнего» дня обрабатывались только отверстия детали, а другие поверхности и плоскости оставались необработанными. Затем изделия (для окончательного их изготовления) уходили на другие станки, тратилось время, нужны были другие рабочие. А на новой линии фрезеруются плоскости, и головка уходит с линии совершенно готовой.

Получается так: на первый станок в начале линий подается «черная» заготовка будущей головки, а в конце линии с последнего станка сходит «чистая» законченная деталь, годная для сборки.

И еще одним удивительным и полезным свойством отличаются новые длинные линии. В одно и то же время они и едины и разобщены на участки. Ведь где-то на линии возможна неполадка, затор, остановка. Тогда соответствующий участок выключается, там идет устранение неполадок, а остальные участки, теперь уже разделенные, самостоятельно продолжают работать.

Пока линия в целом работала для каждого из ее участков, у промежутков между ними накопилось достаточно заготовок с соответствующей степенью обработки, и теперь каждый отрезок линии черпает детали из этого запаса, чтобы не терялось время, чтобы не уменьшалась производительность.

Эти линии значительно совершеннее и «умнее» старых. Советские конструкторы вложили в них много нового, поистине чудесного. Станки соединены трубами, в них электрические провода, а в маслопроводах — масло; оно сообщает движению исполнительных органов машин необходимую мягкость, плавность, точность — служит гибкой передаточной средой в системе автоматически действующих механизмов, а провода, словно живые нервы, мгновенно сигнализируют, выполнено ли рабочее движение, как оно выполнено и не случилось ли какой неполадки в электроаппаратуре.

Вот как выглядит одна из этих удивительных линий чудо-станков: ее начало — особый командный аппарат. Диспетчер, управляющий линией, только что нажал пусковую кнопку на пульте: теперь линия работает, детали одна за другой поступают на рабочие позиции.

Головки станков, подавшись вперед, сделали свое дело, электрические «нервы» донесли об этом и... командный аппарат производит то самое движение, которое {92} управляет следующей операцией. Пока головки не выполнят своей работы до конца, пока не сработают конечные выключатели, командный аппарат не сделает указанного движения — не пустит в ход очередных механизмов, инструментов.

Но неожиданно где-то «отказал» один из электроприборов, а ведь их на линии сотни. Надо быстро найти, где, какой электроприбор вышел из строя. И снова «электрические нервы» делают свое дело: на пульте управления световой сигнал указывает, на каком участке произошла заминка.

А на самом участке контрольный экран точно указывает номер того электроприбора, который надо исправить. Теперь неполадка устранена, линия снова работает. И вдруг стоп, на полном рабочем ходу линия остановилась.

Может быть, ее остановил рабочий, обслуживающий линию?

Нет, она остановилась сама, вернее, ее остановил командный аппарат. Оказывается, на одном из станков «отказал» инструмент, сверло. Электрический сигнал одновременно донес об этом на пульт управления и командному аппарату.

На световом экране пульта появилось указание, на каком именно станке сломалось сверло, и командный аппарат остановил линию. Если он этого не сделает, обработка деталей будет продолжаться, но... в обломок инструмента, застрявший в отверстии, будут упираться и ломаться инструменты на следующих позициях; кроме того, сверло одного станка вовсе выключится из процесса обработки. В результате во всех головках будет нехватать одного отверстия. Придется обрабатывать это отверстие отдельно на других станках и потратить много дополнительного времени. А в нашем случае затрачивается лишь время на остановку линии и смену сломавшегося инструмента. Даже недопустимое затупление какого-нибудь основного инструмента повлечет за собой автоматическую остановку линии и мгновенную сигнализацию, где следует искать «виновника» промедления.

Все это — достижения, которых еще нет за рубежом нашей страны. Советские инженеры — творцы автоматических линий еще раз опередили западных станкостроителей. {93}

Несколько лет назад передовые станочники выявили еще один богатый, многообещающий источник значительного увеличения производительности своих рабочих машин-станков. Они усомнились в установленных справочниками низких пределах скорости резания металла и стали смело, дерзко их увеличивать. Они быстро доказали, что умело приспособленный инструмент из твердых сплавов отлично выдерживает новые, намного более высокие скорости. Но... их станки были рассчитаны на малые скорости — в 30—40 метров в минуту, поэтому и мощность электродвигателей была небольшой — всего лишь от 1,5 до 10—11 киловатт.

Станочники-скоростники своими успехами доказали, что необходимо увеличить мощность двигателей у старых станков и создавать новые станки со значительно более мощными двигателями — до 20 и больше киловатт.

В старых станках рабочие шпиндели вращались со скоростью до трех-четырех сотен оборотов в минуту, а в новых они должны были ускорить свое движение, если это понадобится, даже до двух-трех тысяч оборотов в минуту — в семь-восемь раз.

Но при такой высокой скорости части станка, сконструированного по-старинке, начали бы вибрировать и это расстраивало бы наладку и всю работу машины. Пришлось конструкторам-станочникам установить все причины возникновения вибраций, тщательно их изучить, а затем — устранить. В свое время именно советские инженеры-машиностроители первые в мире высоко подняли науку о резании металлов и исследовали явления вибраций в станках. На этой основе и удалось нашим станкостроителям так изменить и улучшить конструкции советских станков, чтобы они приобрели новое свойство — устойчивость против вибраций.

Так практика новаторов-скоростников на старых улучшенных станках подсказала ученым и инженерам новые научно-технические идеи в области станкостроения, открыла им новые пути для совершенствования металлообработки, помогла создать еще более производительные станки. А работая на этих станках, новые и новые отряды новаторов, не успокаиваясь на достигнутом, упорно, настойчиво и смело ищут и находят новые источники еще более высокой производительности станков. {94}

В этом рабочем и творческом единении новаторов; производства и инженеров-станкостроителей, в непрерывном обмене между ними своими достижениями, в совместном, дружном решении труднейших научных и технических задач и кроется основная и замечательная особенность всей советской техники, в том числе и станкостроительной. Она, эта особенность, — результат прямых указаний партии и товарища Сталина о путях развития советской техники, советского производства.

И именно единение людей науки и производства послужило основой для тех больших научных и технических достижений советского станкостроения, которыми по праву гордится наша страна, наш народ.

*  *  *

Скорость, производительность — это первое требование к станкам. Но это еще не все. Возьмем, к примеру, двигатель самолета, трактора — все это точно работающие машины. Их детали работают в строго рассчитанном движении сочленений; они должны быть поэтому и точно изготовлены. Часто бывает, что поверхности этих деталей должны быть обработаны с очень высокой степенью чистоты. И это второе требование к станкам — точность размеров обрабатываемых изделий, доходящая до микрона, до тысячных долей миллиметра.

Так, например, существуют в наши дни подшипники в машинах и приборах малых размеров, в которых вращающийся вал делает около 20 000 оборотов в минуту. В последние годы стали применять для таких машин подшипники с так называемой «газовой смазкой» — это значит, что вал вращается как бы в воздухе. Зазор между валом и подшипником в таких конструкциях достигает всего нескольких тысячных долей миллиметра. Легко себе представить, с какой разительной точностью должны быть изготовлены вал и подшипник, чтобы самые микроскопические неровности не «съели» этот тончайший зазор. Ведь стоит ошибиться всего лишь на 1—2 тысячных миллиметра, сделать вал «полнее» на такую величину или внутренний диаметр подшипника меньше, и зазор уменьшится настолько, что начнется «заедание» вала в подшипнике, и машина или прибор остановится, произойдет авария. {95}

Чтобы точно изготовить деталь, необходимо уметь с заданной степенью точности определять ее размеры. Наши станочники умеют управлять сверхпроизводительными точными станками и так же быстро и точно проверять размеры изделий.

Автоматическая линия станков для обработки блока цилиндров двигателя грузового автомобиля

Но существует еще одна, не менее важная причина, требующая высокой производительности и точности изготовления деталей машин. Нередко отказывает какой-либо из механизмов машины: то ли деталь повреждена, то ли износилась в работе. Машина — автомобиль, трактор — замерла, перестала «жить». Ее нужно вернуть к 96

жизни, но сделать это так быстро, чтобы не было перебоя в ее работе, чтобы машина как можно скорее снова вошла в строй. Счет времени в таких случаях измеряется минутами. Как же быть? Неужели отвозить машину в ремонтные мастерские, где заново изготовят поврежденную деталь? Ведь на это нужны дни, в лучшем случае — часы. Но... тут же извлекается ящик с запасными частями. Быстро и четко разбирается машина. Новая деталь без какой-либо дополнительной обработки — подгонки— занимает место поврежденной или износившейся, — машина ожила и снова работает.

Запасные части должны без подгонки заменять поврежденные детали — значит, эти части следует изготовлять со строгой точностью в заданных размерах. Они должны друг друга заменять, должны обладать свойством «взаимозаменяемости», как говорят техники.

На заводе, где машиностроители добиваются наиболее быстрой сборки машины, в ремонтных мастерских, где стремятся, как можно скорее привести машину в рабочее состояние, — везде, где пользуются большим количеством однородных машин, взаимозаменяемость деталей спасает эти машины от «смерти» или длительного омертвения.

Производство массовых партий взаимозаменяемых, точно изготовленных деталей машин — это и есть наиболее характерный признак современного машиностроения и основное назначение металлообрабатывающих станков.

Значит, точность измерения, умение определять размеры изделий с наивысшей точностью — вот еще одна сторона, и очень интересная, работы машиностроителя-станочника.

На долгом пути своего развития степень точности, которая достигалась при изготовлении изделий на металлообрабатывающих станках и определялась с помощью измерительных инструментов и приборов, все повышалась в соответствии с теми требованиями, которые предъявлялись наукой, техникой, промышленностью. В свою очередь успехи в области техники точных измерений способствовали дальнейшему развитию и совершенствованию науки, техники, промышленности, особенно металлообработки и машиностроения. Рассказу о главных усовершенствованиях в технике измерения, в металлообработке посвящена вторая часть этой книги.

{97}

Часть вторая

О КАЛИБРАХ

Глава I. ДО МЕТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

Королевские конечности и ячменные зерна

В древние времена человек довольствовался очень грубыми приближенными измерениями. Охотясь, человек глазом измерял расстояние, на которое необходимо было метнуть камень или копье, чтобы попасть в зверя или птицу.

Но жизнь усложнялась, обиход человека обогащался рядом предметов, к размерам и весу которых предъявлялись требования определенного постоянства. Так, например, еще древние стрелки и оружейники нуждались в том, чтобы длина стрел и некоторые размеры луков были одинаковыми. А для этого нужно было иметь какую-то постоянную меру и с ней сравнивать тот или другой размер.

В качестве такой «постоянной» меры человек использовал свои конечности. Толщина пальца, длина сустава, ширина кисти, длина локтя, длина ступни — все эти величины служили образцовыми линейными мерами. С помощью конечностей устанавливались также размеры новых, условных линейных мер: длина шага, расстояние между концами пальцев расставленных рук и т. п. Но размеры конечностей у разных людей неодинаковы. Такие меры были более или менее постоянными и точными только для того человека, который ими пользовался, и потому такой способ измерения мог удовлетворять людей лишь на ранней ступени развития общества.

С развитием торговли этот примитивный способ измерения предметов оказался совершенно неудовлетворительным. Возникла потребность в стабилизации {98} размеров линейных мер, в приведении различных размеров одной и той же меры к одному, обязательному для данной страны. Такая стабилизация проводилась по-своему в каждой стране, а зачастую и в отдельных местностях внутри страны. Так продолжалось почти до самого промышленного переворота, причем к стабилизуемым мерам предъявлялись требования все большей точности.

К середине XVIII века насчитывалось огромное количество стабилизированных мер, их основой служили величины человеческих конечностей.

Распространенная в восточных странах «натуральная» мера — локоть (длина части руки от локтя до конца среднего пальца) — проникла почти во все страны. Первый стабилизированный в Англии при короле Эдуарде I (1272—1307) английский ярд так и назывался: «железный локоть». Его подразделения — фут и дюйм — также представляли собой стабилизированные размеры конечностей — ступни и последнего сустава большого пальца руки.

Старая русская линейная мера — аршин — равнялась 1,5 локтя. Старая русская сажень представляла собой стабилизированный размер расстояния между концами средних пальцев расставленных рук, либо расстояния от пяты левой ноги до конца пальцев правой поднятой руки (косая сажень); само слово «сажень» произошло от слова «досягать» (руками или ногами). Кроме того, в древней Руси измеряли «пальцем» (толщина пальца) и «пядью» (длина ладони). А в Англии правильная сажень отмерялась длиной соприкасающихся левых ступней, шестнадцати поставленных друг другу в затылок специально выбранных мужчин. Такие меры применялись в старые времена во всех странах.

Наиболее развитые в торговом и промышленном отношениях страны уже в средние века испытывали большие неудобства из-за огромного разнообразия мер. Каждая из этих стран стала стремиться к введению у себя единой системы мер. Эта система должна была быть построена, исходя из меры, принятой за основу всей системы и хранящейся в условиях, препятствующих искажению ее размера. В наше время такая мера называется эталоном; она представляет собой образец основной меры, изготовленный из металла с наибольшей достижимой точностью. Основными эталонами называются {99} те, которые составляют основу мерительного дела в стране.

Правительства некоторых западноевропейских стран зачастую объявляли основной мерой величину какой-либо конечности государя или принадлежащего ему предмета. Так, франкский король Карл Великий (768—819) объявил основной мерой длину своей ступни, которая и была названа «королевским футом». А английский король Генрих I (1100—1135) объявил основной мерой расстояние от его собственного, королевского, носа до конца среднего пальца при горизонтально вытянутой руке; он же впоследствии объявил основной мерой длину своего скипетра. Эта величина была названа «элл».

Исходя из такого рода условных величин основной меры, изготовляли металлические стержни — эталоны, которые с древнейших времен для обеспечения их сохранности и неизменяемости размеров хранились в важнейших государственных зданиях, особо оберегаемых. Так, например, римляне хранили свою основную меру в главном храме.

По древней Руси проходили два великих сухопутно-речных торговых пути мирового значения. Первый — «из варяг в греки»: с севера — из скандинавских стран — на далекий юг — в страны, расположенные на берегах Черного и Средиземного морей; второй — из западной Европы в страны Азии. Поэтому еще в X столетии, раньше чем это произошло в других странах, в древней Руси начались попытки установления единства и сохранности мер и их точного применения. Хранение мер поручалось духовенству — ведь в те времена только церковь располагала наиболее надежными местами хранения — в монастырях. В церковном уставе князя Владимира имеется запись, смысл которой сводится к тому, что с давних времен веса и меры установлены богом; и с тех же пор епископам поручено блюсти эти веса и меры «без пакости, ни умножати, ни умалити» и за все это держать ответ перед богом в день великого суда, как и «о душах человеческих».

А в грамоте Новгородского князя Всеволода в XII столетии даны такие же указания, но предусмотрены суровые наказания за уклонение от точности измерения товаров. {100}

И все же в разных местностях, в разных городах еще очень долго продолжали «мерить на свой аршин».

В 1550 году для установления единых мер в Московском государстве были изготовлены «печатные медные меры». Их разослали царским людям для применения по всей Руси. Это были первые единые образцовые государственные металлические меры — первая попытка установить единообразие мер в стране.

Но короли и другие властители, конечности которых служили образцовыми мерами, умирали или их свергали, скипетры или другие металлические меры изнашивались и исчезали. Когда встречалась необходимость снова воспроизвести основную меру, это оказывалось невозможным. Приходилось создавать новый образец основной меры, только приближенно равный старому.

Отсюда и возникла необходимость в установлении такого рода эталона основной меры, величину которого всегда можно было бы точно воспроизвести.

Уже после введения Эдуардом 1 «железного локтя» в Англии в 1324 году был издан закон, гласивший, что три ячменных зерна (круглые и сухие), сложенные рядом по длине, составляют один дюйм, двенадцать дюймов составляют один фут, а три фута — один ярд. Принятие длины ячменного зерна в качестве исходной, относительно неизменной основной величины для образования системы мер было уже попыткой установить какой-либо природный образец основной меры. Выбор для этой цели зерен злачных растений был сделан не впервые в истории человечества. Еще за 2690 лет до нашей эры в Китае при богдыхане Хоанг-ли была принята в качестве основной меры длина звуковой трубы, величина которой составлялась из 90 пшеничных зерен, уложенных плотно одно за другим. В поисках неизменяющейся меры применяли в качестве «эталона» длину пшеничного зерна и древние арабы. Индусы также пользовались в древнейшие времена ячменными зернами для определения измеряемой длины или веса.

В 1496 году в соответствии с законом о ячменных зернах был изготовлен в Англии основной эталон ярда из латунного стержня восьмиугольного сечения. Этот эталон служил до 1588 года. При королеве Елизавете его заменили новым, также латунным стержнем, но прямоугольного сечения. {101}

Второй ярд, изготовленный в 1588 году, служил до 1824 года. И первый и второй эталоны ярда были концевыми мерами — точный размер ярда определялся расстоянием между поверхностями концевых срезов стержня. Развитие техники оптических измерений позволило изготовить новый ярд в 1824 году в виде штриховой меры — стержня, на котором длина ярда была очень точно отмечена двумя параллельными штрихами. Этот точный ярд — основная мера всей системы измерений — погиб в 1834 году при пожаре в парламенте, где он хранился. Пришлось делать новый эталон в сущности «наощупь», так как его изготовили на основе сравнения нескольких существующих копий ярда 1824 года, Если бы ярд представлял собой меру, равную по величине какому-либо неизменному предмету окружающей нас природы, всегда имелась бы возможность восстановить его с необходимой степенью точности или проверить его величину. Но таких предметов тогда еще не знали.

Туаз и метр

Многообразие и непостоянство основных мер были устранены лишь метрической системой мер и весов, возникшей во время Французской революции.

Введение метрической системы мер само по себе знаменовало переворот в мировой измерительной системе; этот переворот начался во Франции, так как революция дала толчок развитию уже ранее зародившихся мыслей ученых о необходимости создания единого и международного природного эталона постоянной линейной меры длины.

Французские ученые измерили одну четверть земного меридиана, проходящего через Париж, и в качестве природной неизменяемой меры выбрали одну десятимиллионную часть четверти этого меридиана, назвав ее метром. Свои измерения меридиана ученые произвели с помощью старой французской меры — туаза. Историческая заслуга этой меры в том, что она послужила основой создания метрической системы.

Еще в конце XVI века на наружной стене одного старинного замка в Париже, около тяжелых ворот, был укреплен железный стержень с двумя выступами на концах. Получилось нечто вроде современной измерительной скобы, о которой речь будет дальше. Расстояние между выступами выражало собой величину туаза, основной в {102} те времена французской меры длины. Туаз делился на 6 футов, фут — на 12 дюймов, дюйм — на 12 линий. Каждый желающий мог проверить величину своего туаза по эталону на стене.

Правильным считали туаз, который более или менее туго проходил между выступами эталона. Полагали, что проверка обеспечивает точность около 0,05 линии (около 0,1 миллиметра). В действительности такая точность не достигалась: стержень прогибался, величина расстояния между выступами искажалась, поверхности изнашивались, ржавчина съедала металл. В 1668 году размер стержня настолько исказился, что пришлось изготовить новый эталон. Внешне он был сходен со старым, но размер между выступами на этот раз был выбран меньше старого на 5 линий. Достоверных данных о причине такого изменения нет. Существует мнение, что расстояние между выступами нового эталона соответствовало половине ширины наружных ворот замка, полная ширина которых равнялась 12 футам.

По размеру нового туаза было изготовлено несколько копий. Двумя из них воспользовались, когда в 1735—1737 годах было предпринято в Перу (Южная Америка) и на севере Европы, в Лапландии, измерение длины дуги меридиана, соответствующей одному градусу, с целью определения величины диаметра земного шара. Туаз, которым производили измерения в Перу, был назван «перуанским», а туаз, которым производили измерения в Лапландии, — «северным».

Во время перевозки северного туаза корабль потерпел крушение. Туаз спасли, но величина его претерпела такие изменения, что им уже нельзя было пользоваться как образцовой мерой. Перуанский же туаз был благополучно доставлен в 1747 году во Францию. К этому времени французский эталон туаза, изготовленный в 1668 году, пришел в негодность. И вот 16 мая 1766 года перуанский туаз был провозглашен основным эталоном французских линейных мер.

Новый туаз служил эталоном французских линейных мер до введения метрической системы и явился ее основой. Именно этой мерой французские ученые произвели измерения длины меридиана. Длина эта, выраженная в туазах, будучи разделена на 40 000 000, давала величину {103} метра или 0,51307407 туаза. Таким образом, туаз оказался равным 1,9490363 метра, приближенно 1,95 метра.

Измерение было произведено точными способами, которыми располагает специальная наука — геодезия. Способ этот называется триангуляцией. Для простоты представим себе, что наша земля — правильный шар. Практически невозможно измерить меридиан земного шара путем укладывания на всем его протяжении специальных измерительных стержней — жезлов, которыми пользовались французские ученые. Горы, леса, реки, моря, пропасти и, наконец, огромная величина земного шара — все это исключает возможность непосредственного измерения. Небольшую же часть меридиана (от 5 до 15 км), выбрав наиболее ровный участок, можно измерить непосредственно, укладывая вдоль него точно вымеренные стержни. Такой участок называют «базисом». Его конечные точки тщательно отмечаются. Дальше измерение идет уже расчетным путем с помощью геометрических и тригонометрических вычислений.

Земной шар представляет собой тело вращения особой формы, носящее название «геоид». По форме это тело вращения весьма близко к сфероиду (шару). Наибольшая разность расстояний от двух точек на поверхности геоида до его центра не превышает 100 метров. Величина эта, разумеется, весьма мала по сравнению с поперечником земли. Все же, чтобы устранить влияние на расчет даже этого незначительного отклонения, измерение дуги меридиана произвели дважды, выбирая базу на разных участках меридиана. Одна была выбрана по возможности ближе к экватору, другая — к полюсу. Среднее значение полученных измерений было принято в качестве правильной величины дуги меридиана. Когда в 1735—1737 годах производили измерение градуса меридиана, то наряду с одним измерением от базы, выбранной в Перу, произвели и второе измерение от базы, выбранной в Лапландии (на том же меридиане).

Пользуясь таким способом, французские ученые Мешен и Деламбр измерили дугу парижского меридиана между городом Дюнкирхеном (Франция) и городом Барселоной (Испания). Одна база была выбрана около города Мелюн, а другая — в районе города Перпиньян. Для измерения были использованы новейшие достижения {104} измерительной техники и геодезии, все возможности науки того времени. В результате этого измерения, длившегося шесть лет (1792—1798), была получена новая единица длины — метр (от греческого слова, означающего «мера»), величина которого, как тогда были уверены ученые, всегда может быть восстановлена путем нового измерения длины парижского меридиана.

Таким образом, основной эталон метра являлся как бы копией природного неизменного образца. Метр стал основной мерой новой, метрической, системы линейных мер.

Метрическая система

Французская комиссия мер и весов во времена Французской революции так отзывалась о новой системе: «Определение этих мер и весов, взятое из природы и тем самым освобожденное от всякого произвола, будет ныне устойчивым, непоколебимым и неизменным...»

Права ли была комиссия? Не совсем. И в самом главном, пожалуй, вовсе неправа, а именно в том, что основная единица новой системы — метр — будто бы освобождена от всякого произвола. Когда французские ученые измерили меридиан, они определили метр, как 1/40 000 000 его часть. Следовательно, длина земного меридиана, проходящего через Париж:, равнялась по их расчету 40 000 000 метров. Но позднейшие измерения Парижского меридиана показали, что его длина несколько больше, а именно — на 3423 метра. Таким образом, первый основной эталон метра, изготовленный по результатам первого измерения и утвержденный в 1799 году, оказался фактически меньше 1/40 000 000 части меридиана. Переделывать его не стали. Результаты новых измерений меридиана могли оказаться отличными от первых двух.

Величина первого метра, так называемого «архивного прототипа» (от греческого слова, означающего «первообраз»), изготовленного из платины, осталась международным эталоном. Но он потерял значение «природной» меры и оказался такой же условной мерой, как и английский ярд.

Огромным достоинством новой системы мер явилась ее десятиричность. Каждая величина этой системы образуется путем деления или умножения основной меры на число, кратное 10. Основная мера — метр, — деленная на 1000, 100, 10, дает соответственно миллиметр, сантиметр {105} и дециметр, а умноженная на 1000 — километр (умножение метра на 10, 100, 10 000, 1000 000 дает соответственно декаметр, гектометр, миниаметр и мегаметр, но эти величины, вернее наименования, неупотребительны). Все вычисления по новой системе производятся очень легко.

Заслуга французских ученых заключалась в том, что они ввели в систему мер десятиричную систему исчисления, которая зародилась еще в древние времена, когда человек считал по пальцам рук (десять пальцев). Индусы вооружили эту примитивную, но удобную систему счета изобретенными ими цифрами от 0 до 9. В XIII веке эта система проникла в Европу.

Вторым преимуществом новой системы явилось установление твердой зависимости между линейными и весовыми мерами. Вообразите себе куб чистой дестиллированной воды со стороной, равной одному сантиметру, и при температуре в 4 градуса (температура воды наибольшей плотности). Вес этого куба и был принят за основную весовую единицу метрической системы и назван граммом. Умножая грамм на 1000, на 100 000 и на 1 000 000, мы соответственно получаем килограмм, центнер и тонну, а разделив на 1000,— миллиграмм, наиболее употребительные наши весовые величины. У вавилонян еще задолго до нашей эры весовые меры тоже были связаны с линейными мерами и с единицами времени. Вавилонская весовая единица — «талант» (большой талант = 60,6 кг, малый талант = 30,3 кг) представлял собой вес воды, заполняющей сосуд определенного объема и вытекающей из него при постоянных условиях в определенный промежуток времени.

7 апреля 1795 года — день объявления Национальным конвентом французской республики закона о введении метрической системы мер и весов — следует считать днем рождения метра как эталона длины, выступившего в качестве кандидата на звание международного прототипа. К этому времени в мире господствовал английский ярд, насчитывавший уже несколько сот лет существования. Подразделения ярда — дюйм и фут — прочно утвердились в промышленности и торговле ряда передовых стран. Дюймовая система укрепилась на занятых позициях, и метр был встречен враждебно. Именно то, что метрическая система упрощала технику отсчетов и {106} была призвана к созданию единого мерительного языка во всем мире, сообщало новой системе революционный интернациональный характер.

Метр имел много врагов в самой Франции. Французский император Наполеон в 1809 году отменил метрическую систему. Но преимущества ее все же были слишком очевидны. К этому времени метр, как сказано выше, уже потерял свое значение природной меры, но стройность системы и легкость практического ее применения благодаря десятиричности обезоруживали противников. Только что нарождавшееся производство взаимозаменяемых деталей машин уже настоятельно требовало в качестве условия своего развития единой измерительной базы.

В 1836 году метрическая система была восстановлена во Франции и с этого времени шаг за шагом отвоевывала позиции у ярда.

И все же к новой, прогрессивной системе мер многие относились недоброжелательно.

Но вот в 1868 году с трибуны Первого съезда русских естествоиспытателей (в Петербурге) на весь мир прозвучали страстные, проникновенные слова «Заявления о метрической системе» великого русского ученого Д. И. Менделеева:

«Объединение народов останется мечтою мира и прогресса, пока не подготовлены к тому пути. До сих пор, кроме стихий, только печатное слово, торговля и науки скрепляют интересы народов. Это крепкие связи, но не всесильные. Подготовлять же связь крепчайшую обязан каждый, кто понимает, что настанет, наконец, желанная пора теснейшего сближения народов... Воздухоплавание, попытки отыскать мировой язык и всеобщие письмена, международные выставки, даже самые стачки — маяки на этом долгом пути.

Есть между этими попытками одна, не стоящая ни миллионов, как выставки, ни громадных усилий опыта и ума, как воздухоплавание, — это попытка склонить народы к единству мер, весов и монет.

Число, выраженное десятичным знаком, прочтет и немец, и русский, и араб, и янки одинаково, но живое значение цифр для них чересчур разнообразно, даже одно слово часто имеет неодинаковое значение у разных народов. Так, фунт неодинаков — английский, {107} валахский, русский, испанский, китайский, даже рижский, ревельский, курляндский.

Давно стремятся установить однообразие в этом отношении. Побуждает к тому польза, очевидная для каждого.

Система, пригодная для этой цели, должна быть прежде всего десятичная, потом все меры в ней должны одна от другой происходить...

Такова метрическая система...

Облегчим же и на нашем скромном поприще возможность всеобщего распространения метрической системы и через то посодействуем в этом отношении общей пользе и будущему желанному сближению народов. Не скоро, понемногу, но оно придет. Пойдем ему навстречу».[1]

А через год — в 1869 году — действительный член Российской Академии Наук Б. С. Якоби от имени русских ученых представил в Парижскую Академию Наук обоснованный доклад о необходимости сделать метрическую систему мер международной. Именно эта инициатива русских ученых и послужила фундаментом, на котором удалось через несколько лет возвести здание международной метрической конвенции — соглашения о введении единой международной системы мер длины и массы.

В 1872 году в Париже собралась Международная метрическая комиссия из представителей двадцати стран. Комиссия предложила изготовить новый прототип метра по размеру первого прототипа (архивного). Первый прототип метра был изготовлен в виде концевой меры, его размер точно выражался расстоянием между срезами стержня. Это вело к искажениям вследствие износа поверхности срезов, соприкасавшихся с контактами держателя.

Новый прототип изготовили в виде штриховой меры — точный размер метра выражался расстоянием между двумя штрихами на поверхности стержня, вся длина которого равнялась 102 сантиметрам. Он был изготовлен из сплава платины с иридием. Этот материал (90% платины и 10% иридия) отличается высокой твердостью, неокисляемостью и стойкостью против изменений размеров {108} с течением времени. Новый прототип был провозглашен комиссией международным прототипом мер длины. В 1888 году под Парижем, в Севре, было организовано Международное бюро мер и весов — место хранения эталона линейных мер — метра и эталона веса — килограмма.

Международный прототип метра

Здание бюро, по соглашению с правительством Французской республики, было объявлено международным, В 1891 году были изготовлены 34 копии международного метра и распределены между странами — участницами Международного бюро. По жребию Россия получила две копии: № И и № 28. Первый хранится во Всесоюзном научно-исследовательском институте метрологии (ВНИИМ) в Ленинграде и является государственным эталоном СССР, а второй хранится как запасная копия.

Великому русскому ученому Д. И. Менделееву принадлежит заслуга в организации и научной постановке хранения и поверки мер и весов в России. Пятнадцать последних лет своей жизни (1892—1907) он посвятил этому важному для отечественной науки, и техники делу и своими исследованиями создал основу научного развития точных измерений в нашей стране.

Начиная с этого времени метр как эталон постепенно проник во все страны Европы, а также в Японию, Турцию и в США. В Англии, в США и в некоторых других странах на основании точно установленных соотношений между метром и ярдом допускается и применение дюймовой системы. У нас метрическая система была объявлена обязательной и единственной декретом Совнаркома от 14 сентября 1918 года.

Международный прототип метра представляет собой платино-иридиевый стержень с сечением Х-образной формы. Длина стержня, как уже было сказано, равняется 102 см. На верхней поверхности полки стержня, на каждом конце, нанесено по три поперечных штриха. Расстояние между двумя средними штрихами определяет {109} длину метра. Толщина каждого штриха 6—8 микронов (микрон = 0,001 миллиметра). Промежутки между штрихами равны 0,5 миллиметра.

Ось метра обозначена двумя нанесенными также на концах полки стержня продольными штрихами с промежутком между ними в 0,2 миллиметра. Из 34 образцовых метров, изготовленных Международным бюро мер и весов, метр № 6 оказался при нуле градусов по термометру Цельсия точно равным архивному метру и поэтому был Признан международным прототипом.

Он хранится в Международном бюро в Севре, в специальном помещении, огражденном от сотрясений и влияния температурных изменений. По международному метру производится проверка прототипов, находящихся в центральных мерительных учреждениях других стран.

Мы уже знаем, что величина метра определяется расстоянием между двумя определенными штрихами, нанесенными на стержень прототипа. Но такое определение, как мы это увидим дальше, недостаточно. Всякий материал изменяет свои размеры вместе с изменением температуры среды (расширяется при нагревании и сжимается при охлаждении). С материалом прототипа метра происходит то же самое, а по этой причине при различных температурах меняется расстояние между штрихами. Эти изменения отнюдь не маловажны. Так, например, имеющаяся у нас в Советском Союзе копия международного метра (№ 28) при 0 градусов имеет длину 1 метр плюс 0,71 микрона, а при 20 градусах — 1 метр плюс 180,24 микрона. Таким образом, при изменении температуры от 0 до +20 градусов длина этого метра увеличивается почти на две десятых миллиметра, а это довольно заметная величина. Поэтому условились основной величиной метра считать его длину при температуре тающего льда — 0 градусов.

Платино-иридиевый сплав устойчивее других материалов, но очень дорог. Из него изготовлены только международный прототип и его национальные копии. Меры, к которым предъявляются менее строгие требования в отношении точности, изготовляются из других материалов, также сравнительно устойчивых против температурных влияний, но изменяющихся в большей степени, чем платино-иридиевый сплав. Стальной метр при изменении температуры на 1 градус изменяет длину на 11 {110} микронов, медный или бронзовый — на 18 микронов, алюминиевый — на 24 микрона. Нетрудно подсчитать, что алюминиевый стержень длиной в 1 метр при нагревании от 0 до 100 градусов увеличит свою длину на 2,4 миллиметра, что уже недопустимо для измерений, даже не требующих особо высокой точности.

В конце XIX века начали применять сталь с содержанием 36% никеля. Этот материал (названный «инвар») хорошо сопротивляется температурным влияниям; однометровый стержень изменяет длину на 1 микрон при изменении температуры на 1 градус. Таким образом, метр, изготовленный из инвара, при нагревании от 0 до 100 градусов удлиняется только на 0,1 миллиметра. Но и этот материал подвержен значительному искажению размеров с течением времени — в результате внутренних изменений. В новейшее время начали применять плавленный кварц; однометровый стержень из этого материала изменяет длину всего на 0,4 микрона при изменении температуры на 1 градус. Широкому использованию этого материала мешает его хрупкость.

Форма сечения прототипа также выбрана не произвольно. Если стержень положить на какую-либо, даже точно обработанную плоскость, то нижняя его поверхность не всеми точками совпадет с этой плоскостью. Вследствие этого стержень потеряет свою прямолинейность. Если на верхней поверхности такого стержня нанесены на концах штрихи, расстояние между которыми выражает, допустим, длину метра, то в результате (пусть микроскопически малого) провеса стержня это расстояние увеличится. Если штрихи нанесены на нижней поверхности стержня, то соответствующее расстояние уменьшится.

Между верхней и нижней поверхностями существует так называемый нейтральный слой, в плоскости которого расстояние между штрихами настолько мало изменяется, что этим изменением можно пренебречь. Расположение нейтрального слоя зависит от расположения опор, на которых покоится стержень. Чтобы избежать произвола в этом вопросе, ученые исследовали его и установили, что наивыгоднейшие две точки опоры расположены на расстоянии 2/9 длины стержня от каждого его конца. При таком расположении опор изменение длины стержня в результате провеса бывает наименьшим. Нейтральный же слой располагается в средней продольной части стержня. {111} Поэтому международному прототипу придали Х-образную форму, штрихи перенесли на его среднюю полку (нейтральный слой) и уложили его на две правильно установленные опоры. Такая форма обеспечила наименьшую величину изменений длины стержня. Первый французский «архивный» метр был изготовлен из платинового стержня прямоугольного сечения высотой, равной 1 миллиметрам. Когда стержень укладывали на опоры (по краям), величина его изменялась приблизительно на 0,4 миллиметра.

Мы все время толкуем о величине метра, приводим данные его сравнительных измерений и при этом оперируем даже долями микрона. Как же производится измерение длины какого-либо эталона метра? Проверка производится способом сравнения проверяемого эталона с одним из образцовых и осуществляется с помощью очень точного прибора.

Два сравниваемых эталона помещаются рядом и подводятся под окуляры двух микроскопов, неподвижно укрепленных на таком расстоянии друг от друга, которое равно номинальному размеру длины между штрихами метра. Разность, подлежащая проверке, улавливается путем регистрации отклонения штриха сличаемого эталона от штриха образца. При этом необходимо соблюсти одинаковую температуру обоих эталонов с точностью до 0,1 градуса. Даже человеческое дыхание, повышающее температуру на 0,1 градуса, способно повлиять на точность измерения.

Ванна с двойными стенками наполнена дестиллированной водой. Пространство между стенками также наполнено водой, которая служит для регулирования температуры воды в ванне. Внутри на специальных опорах покоятся оба сличаемых эталона. Ванна укреплена на тележке, позволяющей осуществлять передвижения в направлении, перпендикулярном длине сличаемых мер. По обеим сторонам ванны на каменных опорах укреплены в вертикальном положении два микроскопа. Оба эталона по очереди подводят под окуляры этих микроскопов и производят два отсчета для двух штрихов образцового метра. Затем подводят проверяемый метр и производят такие же два отсчета для его штрихов. Результаты сравнивают и определяют фактическую длину проверяемого метра. {112}

На протяжении нескольких десятилетий усилия науки направлены были к тому, чтобы добиться предельной точности в установлении величины метра — этой всеобщей международной единицы длины.

Но лишь в конце XIX века ученые получили возможность, используя длину световых волн, производить измерения с настолько высокой степенью точности, что многократные измерения одной и той же величины не показали какого-либо существенного различия. Метр, выраженный в длинах этих волн, получил ту устойчивость, к которой стремились ученые на протяжении многих лет.

Глава II. НЕИЗМЕННАЯ МЕРА

Немного физики

Чтобы понять, в чем состоит способ измерения с помощью длины световых волн, кратко напомним некоторые сведения из физики света.

Представим себе темную комнату с небольшим круглым отверстием в одной стене и белым экраном на противоположной. Если в отверстие направить пучок параллельных солнечных лучей, то на экране появится световое круглое пятно. На пути этого пучка лучей поместим стеклянную призму. Лучи, проходя через призму, изменят свой путь и упадут на стену уже в другом месте. Это явление носит название преломления лучей света. Призму следует поставить так, чтобы преломившиеся лучи шли внутри призмы параллельно ее основанию. На экране мы отметим еще одну странность — на нем не будет уже белого круглого пятна; вместо него появится разноцветная полоса. Верхний край полосы будет фиолетового цвета, нижний — тёмнокрасного. Между этими цветами будет еще много разных цветов, но главных, наиболее резко отличимых будет еще шесть: синий, голубой, зеленый, желтый, оранжевый, красный. Вся разноцветная полоса носит название солнечного спектра; его появление вызвано разложением луча белого солнечного света на составляющие его разноцветные лучи.

Для более четкого воспроизведения спектра существуют специальные приборы — спектроскопы. С помощью такого прибора ученый Фраунгофер открыл в 1814 году, что солнечный спектр пересечен множеством темных линий. Они получили название фраунгоферовых линий. Их положение в спектре неизменно. Наиболее заметные из {113} фраунгоферовых линий (всего их насчитывают несколько тысяч) разделяют спектр на уже известные восемь частей: тёмнокрасную, светлокрасную, оранжевую, желтую, зеленую, голубую, синюю, фиолетовую.

Отдельные, четко окрашенные полосы порождаются одноцветными лучами, которые в физике света называются монохроматическими. Это слово составлено из двух греческих слов: «монос» — один и «хрома» — цвет.

Арифметика световых волн

Всякое вещество, находящееся в раскаленном состоянии, излучает в окружающее пространство энергию. Распространение энергии происходит волнообразно со скоростью 299 800 километров в секунду. Эти волнообразные колебания создают в человеческом глазу ощущение света.

Установлено, что каждый одноцветный луч имеет постоянную, только ему свойственную длину волны. Именно от длины волны и зависит восприятие глазом того или иного цвета.

Внутри каждого из восьми основных участков спектра, разделенных линиями, существует огромное количество оттенков данного цвета со свойственной каждому оттенку характерной длиной волны. Но так как внутри одного цвета разница между длинами волн различных оттенков ничтожно мала, то для практических целей ею пренебрегают и принимают для каждого из восьми цветных участков по одной характерной длине волны, выраженной в метрических единицах.

Длина волн очень незначительна и для средних светлых линий (желтый, зеленый) ее величина равна приблизительно 0,0005 миллиметра.

Всякое физическое тело дает особый спектр, состоящий из свойственных только этому телу линий, всегда одинаково расположенных. Длина волн, соответствующая каждой линии спектра определенного физического тела, есть величина постоянная, не изменяющаяся со временем и не зависящая от каких-либо условий. Эти свойства световых волн и натолкнули на мысль использовать их длину в качестве природного эталона линейных мер. Но световые волны невидимы! Как же можно с их помощью производить измерения? Ученые сделали их видимыми, воспользовавшись явлением интерференции света.

В чем это явление заключается? {114}

Представим себе, что два одноцветных (следовательно, имеющих одинаковую длину волны) луча действуют одновременно. Из возможных в данном случае положений обоих лучей нас интересуют два: первый — когда одинаковые по длине волны таких двух лучей как бы налагаются друг на друга, совпадая началом и концом волны. Такие два луча дают увеличенную яркость; второй — когда волны как бы направлены друг против друга. Если проследить одинаково расположенные точки этих волн (например, высшие точки верхних гребешков каждой волны), то видно, что они взаимно смещены на половину длины волны. (Стоит «передвинуть» один луч на половину волны, и они снова будут как бы наложены один на другой.) Такие два луча дают пониженную яркость и даже ощущение темноты, если величины колебаний волны одинаковы. Волны как бы уничтожают друг друга. В физике это явление называется интерференцией. Практически оно может дать следующий очень интересный эффект. {115}

Одинаковые по длине волны как бы налагаются друг на друга и дают увеличенную яркость (слева на рисунке); их „работу” можно сравнить с работой пильщиков, — в то время, как один из них тянет пилу на себя, другой „позволяет” ей уйти и этим как бы усиливает ее движение. Те же волны, смещенные одна относительно другой на половину своей длины, как бы противостоят друг другу (справа на рисунке) и дают поэтому затемнение; такой эффект можно сравнить с работой тех же пильщиков, если оба они одновременно тянут пилу на себя.

Из двух исходных точек начинается волновое движение двух пучков лучей, направленных на экран

Два плоских зеркала поставлены под весьма малым углом друг к другу. На расстоянии нескольких сантиметров от линии соприкосновения зеркал расположена узкая щель, которая освещается сзади сильным источником света (солнце, вольтова дуга). Пучок света падает на зеркала и отражается вниз на экран.

Каждое зеркало можно рассматривать как отдельный источник того же света. Из этих двух исходных точек как бы начинается волновое движение двух пучков лучей, направленных на экран, на котором можно наблюдать следующее явление.

В середине экрана расположена точка, по которой волны обеих исходных точек проходят одинаковый путь. Длины этих волн одинаковы, и гребень одной волны накладывается на гребень другой; провалы обеих волн также совпадают. Поэтому участок будет усиленно освещен. По обеим сторонам от него расположены две точки, расстояние до которых от исходных точек будет таким, что гребень одной волны совпадает с провалом другой. Это значит, что в данном случае длина пути, проходимого светом от одной исходной точки, на половину длины волны короче, чем длина пути от второй исходной точки.

В обеих точках, расположенных по обеим сторонам освещенного участка, получается затемнение экрана — темная полоса.

Идя дальше в обе стороны от середины экрана, мы придем в такие два участка, до которых длины путей света от обеих исходных точек будут разниться на целую длину волны. Опять гребень одной волны совпадает с гребнем другой, провал одной — с провалом другой, и эти участки будут усиленно освещены. Далее мы придем к двум точкам, расстояния до каждой из которых от источников света будут разниться на 1,5 длины волны; снова получится затемнение и появится темная полоса. В результате мы получим освещенный экран, пересеченный рядом темных, равноотстоящих друг от друга полос, Расстояния между полосами зависят исключительно от длин волн.

Из этого опыта легко понять, что каждому промежутку между темной полосой и серединой светлого участка соответствует половина длины волны, а расстояние между двумя последовательными темными полосами или одинаково расположенными точками двух последовательных {116} световых участков соответствует полной длине волны и имеет неизменную величину.

На место экрана можно поместить любой измеряемый предмет и подсчитать, сколько на его длине уложится полос. Если мы определим таким путем длину волны, как долю этой длины, то две величины — проверяемая длина и волна данного одноцветного луча света — будут связаны неизменным соотношением. Благодаря этому длина волны может быть использована как точнейшая мера. Это и было сделано для выражения длины международного прототипа метра в длинах световых волн.

Метр — в длинах световых волн

Еще в первой половине XIX столетия ученые предлагали использовать длину световой волны какого-либо определенного цвета в качестве эталона линейных мер. Но требования, предъявляемые к точности, не вызывали тогда еще необходимости в таком эталоне.

Только в конце XIX века, когда бурно развивающееся машиностроение потребовало высокой точности измерительных средств, предложение ученых было осуществлено.

Чтобы получить четкое воспроизведение явления интерференции, необходимо соблюсти два условия.

1. Так как интерферируют не любые два луча одного цвета, а только взаимозависимые одноцветные лучи, то либо первоначальный луч должен быть разложен на два, либо два луча должны исходить из одного источника света.

2. Лучи должны иметь строго определенную длину волны. Большинство световых лучей не удовлетворяет этому требованию: они слагаются из лучей с различными, правда, весьма близкими друг к другу длинами волн. Каждый из этих лучей интерферирует по-своему, результаты накладываются друг на друга и на экране либо вовсе ничего не получается, либо получается очень нечеткая картина. Особенно важно это условие в тех случаях, когда длины путей двух интерферирующих лучей разнятся на много тысяч или миллионов длин волн. Существует очень немного источников света, лучи которых имеют настолько четкую длину волны, что ими можно пользоваться для точных измерений.

Ученые нашли такой источник света: это оказался свет гейслеровой трубки, наполненной парами металла кадмия (белый металл, химически сходный с цинком). {117}

Спектр кадмия состоит из четырех резко выделяющихся цветных линий: красной, которой соответствует длина волны, равная 0,044 микрона, зеленой — 0,509 микрона, синей — 0,480 микрона и фиолетовой — 0,468 микрона. Лучи, порождающие эти линии, правильно интерферируют на пространстве до 20 сантиметров. Позднее ученые нашли, что гейслерова трубка, наполненная газом неоном, позволяет получать четкий интерференционный эффект и на большем расстоянии.

В 1892 году был сконструирован специальный прибор — интерферометр, основанный на интерференции света. А в 1893 году в Международном бюро мер и весов была решена чрезвычайно трудная задача определения длины метра в длинах световых волн. Посредством исключительно точных, кропотливых исследований, измерений и сравнений удалось успешно закончить измерение метра в длинах волн красного света кадмия.

Длина одного метра равняется 1 553 163,5 длины волн красного света кадмия, а обратное соотношение такое: длина волны красного света кадмия равна 0,64 384 696 микрона.

Исключительное по своему значению для техники измерительного дела исследование потребовало невероятного упорства и настойчивости в преодолении больших трудностей. Зато работа была исполнена настолько точно, что повторное измерение метра, произведенное через семь лет уже другим способом, дало те же результаты.

С тех пор, с 1893 года, длина прототипа метра из произвольной меры, только приблизительно равной 1/40 000 000 длины земного меридиана, превратилась в величину, которую всегда можно восстановить с достаточной степенью точности, зная число укладывающихся на ней длин волн одноцветного луча света.

*  *  *

Научно устанавливаемая и научно проверяемая точность линейных измерений понадобилась не потому, что ученые поставили перед собой теоретически отвлеченную задачу, а потому что машинное производство, основанное на взаимозаменяемости, с определенного момента не могло развиваться без единой международной базы точных измерений.

{118}

Глава III. ЗАВОДСКИЕ «ПРЕДСТАВИТЕЛИ» МЕТРА

«Лестница» точности

Основной эталон метра признан безусловно точной мерой.

Можно понять это так, что все «ниже стоящие» меры должны проверяться по эталону, сравниваться с ним. Но такой порядок проверки разрушил бы всю систему точности. Самые ничтожные воздействия на эталон, если бы они повторялись часто, меняли бы его — пусть на столь же ничтожно малые величины. Накладываясь друг на друга, эти изменения довольно быстро исказили бы первоначальную степень точности основной меры и нарушили бы всю строгость системы мер.

Чтобы только изредка привлекать самый эталон к проверкам, изготовлены еще его копии — вот их-то очень редко и проверяют по основному эталону. Но ведь и копий не может быть много — слишком часто приходилось бы «беспокоить» основной эталон для проверки. Копий всего несколько и степень их точности также приходится очень и очень беречь. Поэтому существует еще одна группа образцовых мер — «рабочие эталоны». Их сверяют с копиями, но не со всеми. Копии делятся в свою очередь на две группы. Одна из них служит для проверки рабочих эталонов, а другая, особая, в таких проверках не применяется — она как бы выжидает своего «часа». А этот час наступает тогда, когда почему-либо одну из действующих копий «заподозривают» в потере должной степени точности. Тогда эту копию сравнивают с одной из особой группы. Копии, входящие в нее, называются «свидетелями» эталона.

Значит ли это, что рабочих эталонов так много, что по ним можно проверять измерительные приборы и инструменты на каждом заводе? Конечно нет. Если бы их было много, как бы точно они ни были изготовлены и измерены, был бы неизбежен разнобой в степени точности между отдельными эталонами. Поэтому существуют следующие по точности образцовые меры первого разряда — их проверяют по рабочим эталонам. Затем — образцовые меры второго и третьего разряда.

Все это — образцы меры, хранящиеся в научно-метрологических учреждениях страны, ведающих важнейшим {119} делом хранения и соблюдения точности. Они, эти меры, образуют, по выражению одного советского научного работника-метролога, как бы лестницу точности, спускающуюся от основного эталона до тех измерительных приборов, которые служат для лабораторных и технических измерений вне метрологических учреждений — на предприятиях промышленности. Эти приборы занимают последние ступени лестницы точности.

Замечательные плитки

Представители метра на заводе, заводские эталоны для линейных измерений, — это измерительные плитки. Именно с их помощью улавливаются разности между двумя размерами, выражаемые иной раз несколькими микронами. Эти же плитки помогают «уличить в неточности» и отрегулировать износившийся заводской измерительный инструмент или прибор.

Еще пятьдесят лет назад, в поисках таких мер длины, которые в условиях заводских лабораторий и даже в цеховой обстановке служили бы в качестве образцовых, ученые пришли к следующему выводу: если бы удалось изготовить набор различных стальных плиток с очень точными размерами между мерительными плоскостями, обеспечить относительную неизменность этих размеров и, наконец, путем комбинирования плиток получать любые размеры в пределах определенного размерного промежутка (например, от 1 до 100 миллиметров), то такой набор мог бы служить достаточно точным заводским эталоном длин.

Но создать такой набор было трудной задачей. Прежде всего надо было найти подходящий материал для плиток, такую сталь, высокие качества которой обеспечили бы неизменность размеров после тепловой обработки и в то же время большую износоупорность. Надо было далее найти способы изготовления плиток с идеально плоскими зеркальными мерительными поверхностями. Наконец, надо было установить, каковы должны быть размеры отдельных плиток набора, чтобы с их помощью получать любые размеры внутри заданного размерного промежутка.

Все эти задачи были успешно решены.

Наиболее распространенный набор состоит из 83 плиток, уложенных в специальный ящик. Две {120} противоположные мерительные поверхности каждой плитки отшлифованы и притерты с высокой тщательностью. На каждой плитке обозначено расстояние между мерительными плоскостями. Набор состоит из четырех серий плиток. В первую серию входит 50 плиток, в том числе 49 плиток, имеющих размеры от 1,01 до 1,49 миллиметра (каждая последующая плитка больше предыдущей на 0,01 миллиметра), и одна плитка размером в 1,005 миллиметра. Вторая серия состоит из 49 плиток размерами от 1,6 до 1,9 миллиметра; здесь каждая последующая плитка больше предыдущей на 0,1 миллиметра. Третья серия состоит из девятнадцати плиток размером от 0,5 до 9,5 миллиметров (через 0,5 миллиметра). И, наконец, четвертая серия — из десяти плиток размером от 10 до 100 миллиметров (через 10 миллиметров). Соединив несколько имеющихся в наборе плиток, можно в известных пределах получить любой размер с точностью до 5 микронов.

Представители метра на заводе — измерительные плиты — получили специальное название — «концевые меры длины».

«Клей-невидимка»

Известно, что склеивание бумаги, дерева и других материалов — задача несложная. Канцелярский, столярный и всякий другой клей — достаточно надежные средства. Существуют даже клеи для более или менее прочной склейки двух кусков металла.

Все это — видимые, легко ощутимые средства склеивания. Но ученые-машиностроители нашли невидимый «клей» для соединения воедино двух или нескольких измерительных плиток. Это «склеивание» плиток выполняется следующим образом. Сблизив мерительные плоскости плиток, начинают притирать их друг к другу. Для этого верхнюю пластинку двигают поступательно по нижней и одновременно вращают ее по плоскости скольжения в обе стороны. В результате такого комбинированного движения плитки соединяются настолько крепко, что образуют как бы единое целое.

Вскоре научились так притирать две плитки, что они не разъединялись даже под действием силы в 100 килограммов. Такой притиркой можно «склеить» не только две, но и несколько плиток и получить набор, размер которого равен сумме размеров притертых плиток. {121}

Свойство точно шлифованных поверхностей крепко приставать друг к другу давно уже известно ученым. Уже больше шестидесяти лет назад заметили это свойство у поверочных плит, поверхности которых смазаны тонким слоем масла или другой жидкости. Для разъединения таких плит приходилось иной раз сдвигать их одну по другой, так как отделить их обычным путем оказывалось невозможным.

Притирка двух плиток

Чем тоньше пленка жидкости между поверхностями, тем труднее, даже путем сдвигания, разъединять плиты. Некоторые ученые предположили, что прочное соединение вызывается силой атмосферного давления. Однако выяснилось, что если притирать плитки в безвоздушном пространстве, то свойство сцепления сохраняется полностью.

Тогда решили, что между притираемыми плитками остается настолько ничтожное пространство, что начинают действовать силы молекулярного притяжения.

Это предположение давало очень правдоподобный ключ к разгадке прочного соединения стальных плиток. Молекулярное притяжение начинает проявляться при наибольшей близости между поверхностями, обусловленной исключительной точностью изготовления мерительных плоскостей и тщательным притиранием их друг к другу.

При дальнейшем исследовании «слипания» обнаружилась любопытная подробность: если перед притиравшем переусердствовать в очистке поверхностей, {122} применив для этой цели спирт или керосин, и этим уничтожить все следы жира на поверхности, то прилипание значительно ослабляется. Но если нанести на мерительные поверхности тончайший слой жира или водяного пара, они снова «склеиваются». Сила сцепления, равная силе, которую надо приложить, чтобы разъединить плитки, зависела от того, какая жидкость нанесена на притираемые поверхности.

Площадь притираемых поверхностей плиток, которыми пользовались в опытах, равнялась 4,5 квадратных сантиметра. На эту поверхность попеременно наносили слои различных жидкостей. Сначала это были слои так называемых «тяжелых масел» (масла, получаемые при переработке нефти). На ощупь они кажутся липкими. В этих случаях для разъединения плиток необходима была сила около 14 килограммов. При введении парафина понадобилась для разъединения сила в 20 килограммов, а при нанесении слоя обыкновенной водопроводной воды — даже в 30 килограммов. Так было доказано, что для притираемых поверхностей «клеем» служит жидкость, и лучшим «клеем» является простая вода — «клей-невидимка».

Почему же жидкости, которыми нельзя склеить и двух картонок, оказались таким чудесным «клеем» для зеркально плоских поверхностей мерительных плиток?

Причину этого явления исследовали многие ученые. Их труды в этой области основаны на законах физики. Приведем здесь только вывод, к которому они пришли.

Чем тоньше слой жидкости, тем крепче сцепление.

В центре круглой, диаметром в 23 миллиметра, мерительной поверхности стального стержня помещалась капелька жидкости. К этой поверхности притирали, прижимая к капельке, стеклянную пластинку с особо точной плоской поверхностью. Стеклянную пластинку брали для того, чтобы можно было сквозь стекло наблюдать, как ведет себя жидкость. Площадь, покрытая жидкостью, нее увеличивалась и, наконец, достигла неизменной величины, когда стеклянная пластинка хорошо притерлась.

После этого притертые калибр и пластинку оставили в покое, чтобы можно было наблюдать за изменениями размера диаметра жидкостного пятна. Измерения показали, что пятно продолжает расти, правда, очень медленно. Увеличение диаметра продолжалось в течение двух часов, шло все медленнее и, наконец, прекратилось. {123} При этом сила сцепления возросла в сравнении с первым моментом после притирки, а толщина слоя жидкости, так крепко «склеивающей» притертые поверхности, как показали специальные, очень тщательные измерения, выражалась в тысячных долях миллиметра. Ученые доказали, что при таких именно толщинах слоя молекулы определенных жидкостей весьма прочно сцепляются с притертыми поверхностями и оказывают высокое сопротивление попыткам разъединить их. Бывали случаи, когда для разделения притертых калибров, оставленных на несколько дней в покое, необходимо было, зажав один в тиски, отбивать второй резким ударом.

Если поверхности плиток обработаны с необходимо высокой точностью (до трех или пяти десятитысячных миллиметра), то плитки выдерживают своего рода притирочную самопроверку. Контрольная плитка длиной хотя бы в 20 миллиметров «склеивается» по своим мерительным поверхностям с двумя другими плитками. Затем в получившуюся скобу укладывается с помощью притирки ряд плиток, длина которых в сумме также равна 20 миллиметрам. Еще показательнее другая проверка: скобой, составленной из плиток, проверяется размер мерительной «пробки». Эти опыты проходят успешно только при пользовании высококачественными неизношенными плитками. Легко понять, что сумма даже микроскопических погрешностей на поверхностях плиток не позволила бы осуществить сборку плиток в обоих этих случаях.

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.

Что такое допуск?

В нашей стране часто бывает, что завод, которому поручено изготовление сложной машины с большим количеством входящих в нее трудоемких деталей, нуждается в помощи других заводов. Эти заводы-«помощники» непосредственно не связаны ни с основным заводом, ни между собой. Их связывают только чертежи заказанных деталей. И все же, когда чуть ли не с 10–15 заводов детали приходят на основной завод, из них легко собирают сложную машину. Такая сборка может быть осуществлена только благодаря тому, что размеры частей на чертежах снабжены «допусками». Что же такое «допуск»?

В повседневной жизни, определяя значения каких-либо величин (возраст, цена, размер, вес), мы часто {135} употребляем слово «около». Например: «Ему около сорока лет». Говоря так, мы заранее допускаем возможность ошибки в определении. Обычно в таких случаях подразумевается и допускается некоторое отклонение. Это отклонение не является строго определенным.

В технике же граница допускаемого отклонения устанавливается очень жестко. Делается это так.

В результате расчета получают размер нужной детали какой-либо машины. Это и есть номинальный размер. Изготовить деталь точно с помощью нормального калибра по номинальному размеру невозможно. Размер всегда получится несколько больше или меньше номинального. Чтобы отклонение не вышло из пределов, допускаемых в каждом отдельном случае, мы сами обычно назначаем допускаемые пределы отклонений в обе стороны. Зная верхний и нижний пределы данного размера, мы можем соответственно назначить и допуска для размера сопрягаемой детали и этим обеспечить взаимозаменяемость.

Если для размера валика диаметром в 15 миллиметров мы назначили допускаемые отклонения +0,05 миллиметра и –0,05 миллиметра, то это значит, что годными будут все валики, диаметры которых уложатся в промежуток между 14,95 и 15,05 миллиметра. Остальные попадут в брак, так как они либо не войдут в отверстие сопрягаемой детали, либо будут «болтаться» в нем больше, чем это позволяют условия удовлетворительной работы машины. Размеры «15,05» и «14,95» называются предельными размерами валика. Разность между двумя предельными размерами (а также сумма величин отклонений) называется «допуском» (общим). В нашем случае допуск равен: 15,05–14,95 = 0,1 миллиметра (или 0,05 + 0,05 = 0,1 миллиметра), а это значит, что можно позволить колебания в точности изготовления валика в пределах одной десятой миллиметра. Записывают размер так:

15 +0,05 –0,05

Учение о допусках не так уж молодо. Оно насчитывает около 60 лет своего существования. Постепенно стройная система допусков стала внедряться в промышленность. Но только с начала империалистической войны (1914–1918 годов) вместе с ростом производства на военных заводах внедрение работы по допускам пошло быстрыми темпами. У нас в СССР введена своя {136} система допусков, основанная на учете всего большого отечественного опыта.

Каким же образом «поймать» заданный в пределах допуска размер? Вот тут-то и приходит на помощь предельный калибр — измерительный инструмент, позволяющий «ловить» размер в пределах допускаемых отклонений даже в тех случаях, если эти отклонения выражаются в микронах.

Допуск в действии

Представим себе инструмент, похожий на букву X. В средней части этого инструмента обозначено 40,0 у одной из дуг — 0, а у другой минус 0,050. Это и есть предельный калибр — «скоба» — для измерения диаметров, номинальный размер которых равен 40 миллиметрам, допускаемое верхнее отклонение равно нулю, а нижнее — минус пятьдесят тысячных миллиметра, или 50 микронов. Весь допуск, таким образом, равен: 40,0 – 39,950 = 0,050 миллиметра, или 50 микронов. Расстояние между губками скобы с той стороны, где помечено 0, равно 40 миллиметрам, а с другой стороны — 39,950 миллиметра. Первая сторона называется проходной, вторая — непроходной, или браковочной. Валик годен, если скоба, повернутая к изделию проходной стороной, легко под тяжестью собственного веса надвигается сверху на валик, а повернутая непроходной стороной не надвигается, а только «закусывает» и не идет дальше (если скоба надвигается не сверху, необходимо очень легкое усилие). С помощью такой скобы рабочий и контролер имеют возможность, не обладая особой квалификацией, легко и быстро проверять размеры деталей. Если очень точно измерить забракованные с помощью предельной скобы изделия, то окажется, что их диаметры либо «полнее» 40, либо меньше 39,950 миллиметра.

Двусторонняя предельная скоба

Внутренний диаметр отверстий также проверяется предельным калибром-пробкой. Этот калибр состоит из двух измерительных пробок, насаженных на один {137} стержень-рукоятку. На средней части рукоятки нанесен номинальный размер, а на концах — допускаемые отклонения. Диаметр одной из пробок равен наибольшему предельному размеру кольца, диаметр второй — наименьшему предельному размеру. И здесь годными окажутся только те кольца, в которые первая (непроходная пробка) под тяжестью собственного веса калибра не войдет, а вторая (проходная) при тех же условиях войдет свободно.

Измерение предельной скобой; справа—проходная сторона скобы под тяжестью своего веса надвинулась на валик; слева—непроходная сторона скобы лишь „закусила” поверхность валика и дальше не пошла

Для каждого номинального размера с определенными допускаемыми отклонениями необходим специальный калибр (скоба или пробка), который уже не годится для того же номинального размера, но с другими допускаемыми отклонениями. В отличие от универсального инструмента (штангенциркуль, микрометр) эти калибры относятся к жестким измерительным инструментам. Первыми можно измерять большое количество разных по размеру деталей — они универсальны, вторыми же — детали одного размера, да еще с определенными допускаемыми отклонениями. Если рабочий, даже малоквалифицированный, пользуясь этим инструментом, точно выполняет правила обращения с ним, он не наделает ошибок.

Но существуют и нежесткие, переставные калибры-скобы и так называемые внутренние калибры, заменяющие пробки (их еще называют «регулируемые» калибры). {138} Переставные скобы широко применяются и дают возможность измерять несколько номинальных размеров (правда, в небольших пределах). Мерительные стерженьки этих скоб могут быть отрегулированы (переставлены) с помощью очень точных микрометрических винтов. Установочными винтами можно перемещать каждый мерительный стержень для получения нужного размера. Чтобы не допускать самовольной перестановки стерженьков, все устройство закрепляется таким образом, чтобы нельзя было сдвинуть винт.

Предельные калибры появились приблизительно между 1895—1900 годами. Примерно в это же время работа по новым калибрам была внедрена в России одним из крупнейших русских инженеров А. П. Бородиным.

Точность в 0,5 миллиметра

Мы уже знаем, что существуют не только «жесткие» мерительные инструменты — скобы и пробки, но и «универсальные», такие, которыми можно измерять различные размеры.

Размеры, проверяемые в изделиях различной формы

Такие инструменты нужны станочнику в цеховой обстановке на каждом шагу. В работе ему приходится проверять много различных по величине промежуточных размеров, а ведь калибры преимущественно служат {139} только для проверки окончательных размеров. Кроме того, жесткие калибры удобны, когда изготовляются в большом количестве одни и те же детали. Если же приходится в небольшой мастерской изготовлять единичные и различные изделия, удобнее пользоваться универсальным инструментом.

В зависимости от необходимой при этом степени точности применяется и разный универсальный измерительный инструмент.

*  *  *

Первым и простейшим таким инструментом еще в глубокую старину была линейка. В дальнейшем общая длина линейки стала все точнее соответствовать представляемой ею мере, а наносимые на нее деления становились мельче. Этим инструментом пользовались для измерения длины на протяжении многих веков. Применяют его и в наши дни.

Но линейка обладала недостатками, которые делали ее не вполне пригодной даже для нужд примитивной техники средних веков. Измерение с помощью линейки требовало очень кропотливой работы: нужно было очень тщательно прикладывать ее к измеряемому предмету, чтобы сколько-нибудь точно установить расстояние между предельными точками. Еще более трудно было измерять линейкой наружный и внутренний диаметры цилиндрического тела.

Эти затруднения послужили толчком к изобретению (в помощь линейке) кронциркуля и нутромера — двух мерительных инструментов, которыми уже располагали и древние мастера. Обе ножки кронциркуля подвижны вокруг общего шарнира и могут быть закреплены винтом в определенном положении одна относительно другой. Для измерения толщины или диаметра применяют кронциркуль, у которого ножки изогнуты вовнутрь. А нутромер развился из кронциркуля путем изгиба концов обеих ножек в противоположные стороны.

В настоящее время эти инструменты даже в усовершенствованном виде используются только для грубых измерений.

Доступная точность измерения с помощью линейки ограничивается величиной наименьшего ее деления — миллиметра. Если конечная точка измеряемой длины

{140}

Измерение линейкой: а — линейку следует прикладывать ребром, а не плоскостью (под прямым углом); б — при измерении внутреннего диаметра цилиндрической детали ребро линейки должно пересечь центр окружности и край ее не должен при этом „уходить” ниже кромки отверстия; в — при измерении длины цилиндра — приложить линейку точно параллельно его оси; г — измерение малых толщин (буртиков, заплечиков, фланцев) производится с помощью линейки, снабженной скобой; д — для измерения глубины выемок, отверстий, пазов линейку соединяют со скользящей по ней колодкой

{141}

оказывается между двумя соседними делениями линейки, то приходится пренебречь неточностью и принять какое-нибудь одно из двух соседних показаний, или «на глаз» решить, какую часть деления следует учесть для более точного определения искомого размера. Обычно удается таким образом повысить точность линейки до половины величины ее наименьшего деления — до 0,5 миллиметра. Это и есть характерная степень точности современной линейки. И все же удается применить ее, пусть для грубых, но самых разнообразных измерений.

а

б

в

Измерение кронциркулем и нутромером: а — одну ножку кронциркуля прикладывают к начальному срезу линейки и отмечают штрих, которого коснулась другая ножка; б — чтобы установить нутромер на проверяемый размер, упирают одну ножку в плоскость у конечного среза линейки (приставленную под прямым углом), затем вращают установочный винт до тех пор, пока другая ножка не попадет на штрих того деления, которое отмечает заданный размер; в — при измерении диаметра отверстия разводят ножки нутромера до легкого касания со стенками

*  *  *

Самолеты и автомобили, тепловозы и корабли, тракторы и комбайны, турбины и двигатели внутреннего {142} сгорания, текстильные, обувные и другие рабочие машины — все они зарождаются и живут в воображении конструкторов до тех пор, пока их очертания не нанесены на бумагу в виде точно выполненных чертежей. Эти чертежи служат руководством и модельщику, который изготовляет модели для будущих отливок — заготовок деталей машины, и для самого литейщика, который по моделям будет отливать эти детали, и наконец, для рабочего-станочника, который обработает заготовку, превратит грубо намеченные в ней очертания будущей детали в точный ее профиль, соответствующий чертежу и проставленным на нем размерам. Этот профиль, соотношения размеров частей детали и их взаимное расположение — все это может быть выражено каким-то количеством проставленных на чертеже размеров. В цех к станку спускается рабочий чертеж — он служит руководством к обработке поданной заготовки или материала. На чертеже для некоторых изделий указывается не только их величина, но и степень точности допуска. Если размер выражен целым числом миллиметров или целым числом с половиной, его можно проверить линейкой.

Этот инструмент представляет собой узкую и тонкую стальную пластину. На одной из ее поверхностей — измерительная шкала, разделенная на миллиметры. Линия начального среза линейки принимается за нуль. Далее, через 10 делений, проставлены в последовательном порядке числа, обозначающие количество сантиметров.

Обычно пользуются линейками со шкалами в 20, 30 и 50 сантиметров (200,300 и 500 миллиметров). Бывает, что на них наносится и вторая такая же шкала, но в помощь глазам станочника ее миллиметровые деления разбиты средним штрихом на две половины по 0,5 миллиметра.

Точность в 0,1 миллиметра

В древние и средние века измерительная техника улучшалась очень медленно. Только в период мануфактур требования к точности измерительных инструментов несколько повысились. То, что не существовало такого инструмента, с помощью которого можно было бы непосредственно измерять величины, меньшие, чем самые малые деления линейки, очень задерживало развитие металлообработки. Нужда в таком инструменте ощущалась {143} остро. В первой половине XVII века появилось для этой цели очень простое и в то же время очень остроумное приспособление. Его назвали «нониус» по имени португальского монаха Нуньеса. Вне Португалии это имя произносилось — Нониус. Этот монах — ученый XVI столетия — предложил способ разделения на части угловой меры — градуса. Ничего общего этот способ не имеет с тем приспособлением, которое впоследствии позволило измерять доли наименьшего деления. Но... так случилось, что за этим приспособлением осталось название «нониус».

Штангенциркуль: 1 — основная линейка; 2 и 3 — губки линейки; 4 — рамка с нониусом; 5 и 6 — губки рамки; 7 — нониус; 8 — зажим рамки; 9 — микрометрическая подача рамки

В конце XVII века удалось создать усовершенствованную измерительную линейку — штангенциркуль. В те времена этот инструмент был еще очень грубым по своему устройству и изготовлению. Но он оказался предком современного штангенциркуля, с помощью которого машиностроители овладели точностью до 0,1 миллиметра.

На основной стержень штангенциркуля — линейку — нанесены сантиметровые и миллиметровые деления. Когда понадобилась еще большая точность, то по закону десятичности метрической системы пришлось разделить миллиметр на его десятые доли. Эта задача и решена путем соединения штангенциркуля с нониусом.

В чем же заключается способ измерения с помощью нониуса? {144}

Нагляднее всего его можно усвоить из примера измерения длины с помощью простейшего штангенциркуля с нониусом. Сначала ознакомимся с устройством этого инструмента. На стальной масштабной линейке с неподвижной губкой на конце скользит подвижная рамка, так называемый «движок», со второй губкой. В движке имеется прорезь или четырехугольное окошечко, которое позволяет видеть основную шкалу линейки. На краю нижней кромки окошечка (прорези) нанесена вторая маленькая шкала, состоящая всего из 10 делений; каждое из них по длине равно 9/10 миллиметра, а длина всей шкалы, следовательно, равняется девяти миллиметрам. Это и есть нониус. Первый же штрих — нулевой — нанесен таким образом, что при сомкнутых губках он точно совпадает с нулевым штрихом основной шкалы и, следовательно, десятое деление нониуса совпадает с девятым делением основной шкалы. Вообще, если нулевое деление нониуса поставить против одного из любых штрихов линейки, то десятое его деление совпадает с девятым по счету от этого штриха делением линейки.

Если определяется размер какого-нибудь предмета, предположим, диаметр валика, то губки раздвигаются, валик вводится в просвет между ними; после этого подвижная губка подводится к валику до легкого соприкосновения с его поверхностью. Стопорный винт движка закрепляет губки в этом положении. Нулевая отметка нониуса укажет на основной линейке величину диаметра валика. Если эта отметка точно показывает целое количество миллиметров, то она и является результатом измерения.

Допустим, что нулевая отметка нониуса точно совпадала с восьмым миллиметром по основной шкале. Это значит, что диаметр валика равен 8 миллиметрам. Но если нулевая отметка нониуса окажется где-то между восьмым и девятым делением, то для установления размера приходится обратиться к помощи нониуса. Очень легко доказать, что все же какая-либо другая из десяти отметок нониуса обязательно совпадет с одной из отметок основное линейки.

Предположим, что размер валика нам известен и равен 8,6 миллиметра. Значит, первый (после нулевого) штрих нониуса отметит на основной линейке 9,5 миллиметра, второй — 10,4, третий — 11,3, четвертый — 12,2; пятый — 13,1 и, наконец, шестой — 14 миллиметров. Это {145} значит, что штрих шестого деления нониуса совпадет со штрихом 14-го деления основной шкалы. Если бы диаметр валика равнялся 8,8 миллиметра, то с каким-либо из делений основной шкалы совпало бы именно восьмое деление нониуса.

При сомкнутых губках штангенциркуля нулевое деление нониуса совпадает с нулевым делением основной шкалы

Отсюда вывод: если нулевая отметка нониуса не совпадает с целым числом миллиметров, то количество десятых долей миллиметра, входящих в измеряемую длину, определяется порядковым номером того деления шкалы нониуса, которое совпадает с каким-либо из делений основной шкалы. Измерив валик и установив, что нулевая отметка нониуса пришлась между 8-м и 9-м миллиметрами основной шкалы, определяем, какое деление нониуса совпало с делением основной шкалы, и, если таким делением нониуса оказалось именно шестое, говорим что диаметр валика равен 8,6 миллиметра. Справедливость этого можно доказать очень просто. Мы произвели наше примерное измерение и установили (для данного случая), что шестое деление нониуса совпало с 14-м делением линейки. Можно утверждать что «14» больше искомого диаметра валика на шесть делений нониуса. Но 6 × 0,9 = 5,4 миллиметра, следовательно, искомый размер равен: 14—5,4 = 8,6 миллиметра.

После того как глаза привыкают быстро читать показания инструмента, следует овладеть еще одним мастерством: когда опытный станочник или слесарь окончательно устанавливает подвижную губку с помощью регулировочного винта, он выполняет это легким движением большого и указательного пальцев. Как только подвижная ножка коснется поверхности измеряемой детали, пальцы чувствуют это и как бы сигнализируют мозгу: «стоп, довольно, дальнейшая подача ножки не только не нужна, но может исказить показание инструмента и даже повредить его». Развитие такого чувства меры — дело практики.

Штангенциркуль с нониусом — очень распространенный универсальный измерительный инструмент и в наши дни. С его помощью можно получить и большую степень точности — до сотых долей миллиметра, разбив шкалу нониуса на большее число делений. Но в основном историческая роль нониуса в развитии измерительной техники сводится к тому, что с его помощью мир приобрел возможность получать точность измерений до 0,1 миллиметра.

Точность в 0,01 миллиметра

Если усовершенствованная масштабная линейка измеряет с точностью до 0,5 миллиметра, а обычный штангенциркуль с нониусом — до 0,1 миллиметра, го точность в 0,01 миллиметра достигается измерением с помощью микрометра. Это — измерительный инструмент, в конструкции которого используется микрометрический винт — винт с очень точно изготовленной нарезкой и очень малым шагом (расстояние между вершинами двух последовательных витков резьбы). Если гайка делает полный оборот по винту, она совершает линейное перемещение вдоль оси винта, равное его шагу; если же гайка повертывается, к примеру, только на 1/50 долю полного оборота, она продвинется по оси на 1/50 долю шага. При большой точности изготовления такого винта обеспечена и высокая точность соответствия между долей оборота гайки и линейным его перемещением. Этим и воспользовались машиностроители. Примерно в середине прошлого столетия они создали новый измерительный инструмент — микрометр, оказавшийся настолько совершенным, что его высокая точность даже опередила потребности машиностроителей того времени. {147} Этим, а также и трудностью его изготовления следует объяснить, что в течение 25 лет им почти не пользовались. Только с последней четверти прошлого века этот инструмент нашел широкое применение в измерительной технике. В значительной степени это было обусловлено теми требованиями, которые выдвигались развитием производства взаимозаменяемых деталей машин.

Измерение микрометром

Как устроен и работает микрометр? На одном конце стальной жесткой скобы вмонтирована закаленная «пятка» с очень точно обработанной мерительной поверхностью. Другой конец скобы переходит в цилиндрическую втулку — ее называют «стебель» микрометра. На внутренней поверхности стебля нарезаны витки очень точной мелкой резьбы. Стебель служит гайкой для микрометрического винта, который и перемещается внутри него. Таким образом, в микрометре гайка неподвижна, а винт вращается и перемещается по прямой линии. Ненарезанная часть этого винта (в виде цилиндрического стержня) проходит сквозь стебель и может передвигаться или по направлению к неподвижной пятке или, наоборот, уходить от нее. Срез стержня также представляет собой очень точно обработанную закаленную мерительную поверхность. Другой конец винта несет на себе жестко скрепленную с ним втулку; ее называют «барабан». Эта деталь вращается вместе с микрометрическим винтом.

Измеряемую деталь помещают в скобу микрометра между мерительной пяткой и торцом подвижного стержня. Вращая барабан, передвигают стержень к измеряемой детали до соприкосновения с нею.

Один оборот винта передвигает мерительный стержень на длину шага микрометрической резьбы — на 0,5 миллиметра. Всего на винте 50 витков такой резьбы: это значит, что мерительная поверхность стержня может переместиться на 25 миллиметров от своего исходного положения (такое положение бывает или тогда, когда микрометр раскрыт на полную величину своего предела измерения — 25 миллиметров, — или, когда мерительные поверхности стержня и пятки правильно сомкнуты). Чтобы можно было видеть, на сколько оборотов винта стержень удален от пятки, поверхность стебля разделена продольной горизонтальной чертой, а по ее обеим сторонам нанесены две шкалы. Одна из них — основная — состоит из 25 делений ценою каждое {148} в 1 миллиметр; другая — из 24 таких же делений, но ее штрихи смещены относительно делений первой шкалы на 0,5 миллиметра. Получается так, что каждый штрих второй шкалы разбивает на две половины каждое деление основной шкалы. За один оборот винта стержень перемещается на длину его шага — на 0,5 миллиметра — или на половину деления основной шкалы. На этой шкале первый штрих обозначен нулем. Далее (последовательно) обозначен своим порядковым числом конечный штрих каждого пятого деления; получается ряд цифр: 0—5—10—15—25.

Микрометрический винт (справа) и устройство круговой шкалы (слева)

Если представить себе полный виток резьбы микрометрического винта в развернутом виде, мы получим прямую линию; ее можно разделить на 50 равных частей. Один оборот винта — его вращение по одному витку резьбы — передвигает стержень на всю длину шага (на 0,5 миллиметра); если же повернуть винт только на 1/50 оборота или на 1/50 часть развернутой линии витка, то и перемещение стержня окажется в 50 раз меньше, оно будет равно 0,5:50 = 0,01 миллиметра.

50 делений окружности одного витка резьбы нанесены в виде шкалы на скосе барабана. Каждый из штрихов этой шкалы может быть совмещен с продольной линией на стебле микрометра. После этого поворот барабана на одно деление собственной шкалы передвинет стержень на 0,01 миллиметра. Теперь можно приступить к отсчету показаний микрометра. {149}

С продольной линией на стебле совпал один из штрихов круговой шкалы барабана. Начинаем с чтения показания шкалы на стебле: срез барабана как бы отсек определенную часть шкалы. Допустим, что ближайшее к срезу число на основной шкале «10»; затем на ней же видно еще два целых деления. Значит, уже ясно, что данный размер содержит 10 + 2 = 12 миллиметров. После 12-го деления, еще ближе к срезу барабана, едва виден штрих второй шкалы — значит, надо прибавить еще 0,5 миллиметра.

На глаз могло бы показаться, что это и есть точное показание микрометра — линия среза барабана как будто совпадает с линией штриха второй шкалы на стебле. Но... круговая шкала барабана во-время подсказывает станочнику, что глаза его обманывают. (Ведь тот штрих круговой шкалы, который отмечен нулем, не совпал с продольной линией на стебле. На сколько? На одно деление! Вот, если мы повернули бы барабан по часовой стрелке на это одно деление, тогда получилось бы полное совпадение линии среза барабана со штрихом второй шкалы. При этом отсеченный участок шкалы на стебле уменьшился бы на длину, соответствующую вращению микрометрического винта на 1/50 его оборота — на 0,01 миллиметра. Тогда и можно было бы считать, что результат измерения — 12,5 миллиметра. И во всех случаях, когда нулевой штрих круговой шкалы совпадает с продольной линией на стебле, результат измерения выражается или целым числом миллиметров или целым числом с половиной.

Но в нашем случае это не так: налицо несовпадение на одно деление, а это значит, что к величине 12 + 0,5 миллиметра следует прибавить еще 0,01 миллиметра; получится конечный результат: 12 + 0,5 + 0,01 = 12,51 миллиметра.

Бывают случаи, когда нужно измерить микрометром деталь, размер которой больше 25 миллиметров. Кроме того, приходится измерять иногда две и больше деталей в совмещенном виде, а их общий размер больше 25 или даже 50 миллиметров. Во всех таких случаях применяются микрометры с большим пределом измерения. Если деталь больше 25, но меньше 50 миллиметров, применяется микрометр с расстоянием в 50 миллиметров между пяткой и исходным положением стержня. Если деталь больше 50, но меньше 75 миллиметров {150} соответствующее расстояние равняется 75 миллиметрам. Могут, конечно, применяться микрометры и с большими пределами измерения. Но во всех случаях остаются только 50 витков резьбы с шагом в 0,5 миллиметра, и стержень выдвигается по направлению к пятке лишь на 25 миллиметров. Получается так: в обыкновенном малом микрометре мерительная поверхность стержня перемещается от 0 до 25 миллиметров; в микрометре с пределом измерения до 50 миллиметров и больше — га клее от 0 до 25, но к результату добавляется то чисто миллиметров, на какое величина предела измерения больше 25.

В устройстве современных микрометров предусмотрена на конце рукоятки стопорная гайка — небольшая накатанная деталь с пружинным и зубчатым механизмами внутри. Эту деталь называют «трещоткой». Вращая барабан, доводят мерительный стержень до наибольшего приближения к поверхности измеряемого предмета, но без контакта с нею; затем прекращают вращение барабана и начинают вращать трещотку, которая продвигает стержень ровно настолько, чтобы произошло правильное касание с измеряемым предметом. Как только усилие прижима стержня к этому предмету достигнет допускаемой величины, трещотка, сколько бы ее ни вращали, не продвинет дальше винта — она будет вращаться вхолостую.

Для того чтобы можно было закрепить мерительный стержень в каком-либо одном положении, служит особая деталь микрометра — зажимное кольцо.

Бывают микрометры для измерения ширины пазов или диаметра внутренних размеров деталей, для измерения глубины отверстий и пазов. Но устройство и способы применения всех разновидностей этого инструмента в основном очень схожи. С помощью микрометра можно «уловить» даже 0,001 миллиметра.

Но в цеховой обстановке для отдельных измерений такая точность редко может понадобиться; кроме того, для такой точности существуют другие, более совершенные, измерительные средства — приборы, о которых речь будет впереди. Поэтому микрометр был и остается основным инструментом для измерения с точностью до 0,01 миллиметра.

{151}

Точность в 0,001 миллиметра

Если мы располагаем неравноплечим рычагом с соотношением плеч 1 : 10, то перемещение конечной точке меньшего плеча на 0,1 миллиметра вызовет перемещение конечной точки большего плеча на 1 миллиметр. Легко представить себе, что таким путем можно получить и большие точности отсчета.

Внешний вид индикатора

Этот принцип был использован в конце XIX века для изготовления особого измерительного прибора — индикатора. Усовершенствование индикатора привело к созданию миниметра; этот прибор позволил проверять размеры с точностью до тысячных долей миллиметра. Он не указывает прямо размера той или иной измеряемой детали, а показывает лишь, насколько ее размер отклонился от заданного по чертежу, или отмечает совпадение размеров.

Измерение с помощью индикатора производится следующим образом. Индикатор закрепляют на стойке и под его мерительный шрифт подводят набор мерительных плиток с общим размером, равным размеру измеряемой детали, и путем регулировки устанавливают стрелку на нулевое деление шкалы. Затем плитки убирают и на их место устанавливают измеряемую деталь. Отклонение стрелки индикатора вправо или влево на определенное число делений показывает, насколько размер детали отклоняется от заданного.

Шкала миниметра имеет 20 либо 60 делений, которые нанесены черными штрихами на белом поле на расстоянии одного миллиметра друг от друга. В зависимости от условий работы, для которой предназначен прибор, «цена {152} деления» на шкале колеблется. Цена деления — это значение (в миллиметрах) отклонения величины измеряемого изделия от заданной, соответствующее передвижению указателя шкалы на промежуток между двумя соседними штрихами. Если цену одного деления прибора умножить на общее количество делений шкалы, то получается наибольшая величина отклонения, отмечаемая прибором. Для прибора с 20 делениями цена деления может равняться 0,02; 0,01; 0,005; 0,002 и 0,001 миллиметра. Соответственно величина отклонений размеров составляет 0,4; 0,2; 0,1; 0,04; 0,02 миллиметра. Для прибора с 60 делениями цена деления может равняться 0,01; 0,005; 0,002 миллиметра, а наибольшая величина отмечаемых отклонений размеров соответственно 0,6; 0,3 и 0,12 миллиметра.

Конструкция прибора основана на принципе использования рычажной передачи. Металлическая колодка снабжена У-образными канавками на верхней и нижней поверхностях, смещенными в отношении друг друга. В эти канавки сверху упирается неподвижная призма, а снизу — верхний конец мерительного стержня. Если мерительный стержень движется кверху, то происходит перекос колодки, и величина подъема стерженька будет показана на шкале движением стрелки, причем передвижение ее будет во столько раз больше передвижения стерженька, во сколько ее длина больше расстояния между осями мерительного стержня и неподвижной призмы. Все детали мерительного механизма отличаются высокой твердостью.

Шкала прибора не имеет нулевого деления, и исходным может быть любое положение стрелки на шкале. Прибор устанавливается по размеру проверяемого изделия с помощью калибра или образцового, точно {153} изготовленного изделия.

Схема устройства миниметра

Затем при проверке уже других, изготовленных по калибру изделий отклонение стрелки от начального положения показывает, на сколько фактический размер изделия отклонился от заданного. Как уже было сказано, наименьшая цена одного деления шкалы миниметра (может равняться 0,001 миллиметра. Фактический размер деления равняется одному миллиметру, поэтому легко отмечать отклонения, равные половине деления. Это дает точность измерения отклонения до 0,0005 миллиметра.

Наиболее употребителен в практической работе миниметр на колонке с плоской поверхностью установочного столика. Он служит для проверки призматических и цилиндрических деталей. Работа выполняется следующим образом. Контрольную плитку или калибр кладут на столик прибора. Держатель миниметра с мерительной головкой передвигают по колонке до тех пор, пока мерительный стерженек подойдет почти вплотную к калибру. Тогда держатель жестко закрепляется. После этого подают столик кверху с помощью нижнего микрометрического винта до тех пор, пока стрелка миниметра не установится на определенном делении шкалы. Специальный рычаг служит для приподымания мерительного стерженька перед установкой проверяемого объекта. Делается это осторожно. Когда прибор отрегулирован на определенное деление, калибр удаляют, и на столик устанавливают проверяемую деталь. Если деталь изготовлена точно, стрелка указателя покажет то же деление, на которое прибор отрегулирован. Если деталь «полнее», стерженек поднимется кверху, и стрелка отклонится вправо; если деталь меньше заданного размера, стерженек опустится, л стрелка отклонится влево. Если у данного прибора цена деления равняется 0,002 миллиметра, а стрелка отклонилась в ту или иную сторону, скажем, на десять делений, то это значит, что размер детали отклоняется от основного на плюс или минус 0,02 миллиметра. Если эти отклонения не выходят за пределы заданных отклонений, деталь годна; в противном случае деталь бракуется. Пределы отклонений от заданного размера обозначаются по обе стороны от деления шкалы специальными стрелками — указателями.

Цилиндрические детали просто прокатываются под стерженьком по столику, причем наибольшее отклонение {154} стрелки показывает, насколько диаметр изделия отклонился от заданного.

Для измерения листового металла применяется установочный столик шаровой формы, а для измерения проволоки применяется столик цилиндрический. Кроме того, в этом случае стерженек оканчивается не шариком, а правильной плоской поверхностью.

Ортотест — рычажный прибор с ценой деления 0,001 миллиметра

Этот прибор и другие, устроенные по такому же принципу, предназначены для наиболее быстрой и точной проверки, насколько правильны размеры массовой партии одноименных деталей.

Для деталей малых размеров применяются измерительные приборы, основанные большей частью на использовании и принципа рычага и оптического способа отсчета показаний.

Таким прибором, в котором использован оптический принцип измерения, является так называемый оптиметр. Источник света через сферическую линзу освещает шкалу с делениями. Отразившись, лучи проходят через призму, преломляются книзу и попадают на поверхность поворотного зеркала. В зависимости от передвижения стерженька прибора угол установки зеркала меняется, и лучи света возвращаются тем же путем в объектив, неся с собой изображение шкалы. Если поворотное зеркало находится в исходном положении, нулевое деление шкалы совпадает с контрольной меткой на окуляре. Если же поворотное зеркало качнется вокруг своей оси и займет новое положение, нулевое деление шкалы окажется где-нибудь вправо или влево от метки, а сама метка отложит на шкале величину (количество делений) отклонения.

Величина плеча рычага между опорной точкой мерительного стержня и осью качания зеркала и расстояние шкалы от зеркала подобраны таким образом, что перемещение мерительного стержня на один микрон {155} вызывает перемещение луча на шкале на одно деление, А это деление, в свою очередь, благодаря увеличительному приспособлению, представляется наблюдателю равным одному миллиметру. В результате микрон — одна тысячная доля миллиметра — отсчитывается по шкале с той же четкостью, с какой производится отсчет миллиметров. Наблюдатель может с достаточной точностью производить на глаз отсчет между миллиметровыми делениями. Поэтому на оптиметре доступна точность в одну пятую часть микрона или в две десятитысячных миллиметра.

Схема устройства и общий вид оптиметра

Существуют оптиметры с дополнительным проекционным приспособлением, которое позволяет наблюдать результат измерения на открытой шкале невооруженным глазом благодаря еще большему увеличению размеров делений шкалы. Прибор производит измерения деталей размером до 200 миллиметров. Для измерения деталей больших размеров тот же оптический принцип применяется в специальной мерительной машине с приспособлением для сравнения двух длин между собой. {156}

Следует отметить еще один прибор, применяемый главным образом для сравнительных измерений (как миниметр) и тоже соединяющий в себе два принципа — и механический рычажный и оптический. Этот прибор пригоден не только для лабораторных измерений, но и для обычного производственного контроля деталей в массовом производстве, например в автомобильном в том случае, когда необходимо соблюсти особо высокую степень точности обработки.

Схема устройства и общий вид микролюкса

Деталь устанавливается на специальную сменную подставку, которая меняется в зависимости от формы изделия. Мерительный стержень при подъеме или опускании действует на устройство, состоящее из системы рычагов, оптического стекла и вогнутого зеркала. Электролампочка слабого напряжения служит источником света, лучи которого собираются оптическим стеклом, направляются на вогнутую поверхность зеркала, отражаются от нее и попадают на матовый экран, «рисуя» на нем круглый яркий «зайчик», разделенный в середине черной горизонтальной чертой. «Зайчик» может «играть» и по всей длине экрана. На экране устанавливаются два указателя, которые на специальной шкале отмечают пределы допускаемых отклонений. Мерительный стерженек так отрегулирован, что при проходе под ним годные по размерам {157} детали вызывают игру «зайчика» в поле между указателями, а негодные — вне этого поля.

При контроле однородных по типу и размерам деталей даже малоквалифицированный рабочий в состоянии вести проверку со значительной быстротой. Система рычагов и оптических приспособлений обеспечивает тысячекратное увеличение показаний мерительного стерженька. Это значит, что движение стерженька вверх на 0,001 миллиметра отражается передвижением черты «зайчика» на полный миллиметр по шкале. Так как по ней также можно отсчитывать части миллиметра, то и на этом приборе доступно достижение точности, выражаемой десятитысячными долями миллиметра.

Новые средства точности

Но и на этом не остановилось развитие измерительной техники, особенно в нашей стране. Там, на крайнем западе Европы и в США капиталист-хозяин прикидывает, выгодно или невыгодно лично ему улучшить измерительную технику на своем предприятии. А наши машиностроители, наращивая темпы производства, озабочены тем, чтобы уже в процессе изготовления достигалась необходимая степень точности, чтобы на конечных участках была обеспечена самая надежная проверка готового изделия. Поэтому они требуют и получают от отечественной науки и техники все новые и новые средства точнейших измерений.

В столице нашей Родины успешно работает научное учреждение станкостроительной промышленности — «Научно-исследовательское бюро взаимозаменяемости». Оно чутко прислушивается к нуждам советского машиностроения и следит за тем, чтобы точность измерения не отставала от точности обработки. Пусть еще больше возрастут скорости резания, еще больше увеличится производительность автоматических линий станков, еще более разительны будут при этом требования к точности изготовления — и все же измерительные устройства должны «успевать ловить» малейшие отклонения от чертежа, точно определять их величину и с неумолимой строгостью отправлять в брак те изделия, размеры которых вышли за пределы допусков.

«Враг» точности — мерительная поверхность инструмента или прибора. В процессе измерения она изнашивается. {158} Приходится тщательно следить за тем, чтобы в какой-то момент инструмент или прибор не начал пропускать брак.

Но ведь как будто не существует неизнашивающихся поверхностей. Можно лишь уменьшить, замедлить процесс их износа, изготовив конечную часть мерительного стержня из наиболее твердого материала (алмаза или сверхтвердого сплава). Так обычно и поступают, если необходимо обеспечить длительную и надежную работу измерительного устройства.

Но оказалось, что можно вовсе устранить вредное влияние износа мерительной поверхности. Советские машиностроители создали прибор, в котором мерительная поверхность заменена... воздушной струей.

Все измерительные приборы обязательно располагают; пожалуй, самой главной своей частью — той, которая «ощупывает» измеряемые детали. Ее и называют иногда «щупом». Таким прибором невозможно измерять какой-нибудь размер во время работы детали или деталей, например, вала во время его вращения. Ведь движение детали через щуп будет в какой-то мере передаваться измерительному прибору, сотрясать его, результат измерения получится искаженным. Особенно недопустимо такое искажение, когда измеряется очень малая величина, выраженная всего лишь единичными микронами — самое ничтожное искажение превысит величину допускаемой неточности. Поэтому и в таких случаях лучше отказаться от прибора со щупом и воспользоваться той же воздушной струей. Вот почему машиностроители создали своего рода «воздушный микрометр».

Мы уже знаем, что в нашей стране для небольших машин с особо быстро вращающимися валами созданы «воздушные» подшипники — вал вращается в воздухе, между ним и стенками подшипника — тончайшая воздушная прослойка, зазор, своего рода воздушная «смазка». Толщина воздушной прослойки меняется во время работы вала и колеблется в пределах между 3 и 15 микронами. Допустим, что нам надо измерить эту толщину в тот момент, когда она достигла наименьшей величины — 3 микрона. Возможная ошибка, неточность измерения должна быть меньше одной десятой части этой величины, меньше 0,3 микрона. Вот с какой точностью должен работать воздушный микрометр при измерении зазора между валом и подшипником. {159}

Еще не так давно, когда хотели изобразить разительно малую длину, сравнивали ее с толщиной человеческого волоса. Это сравнение потеряло всякую убедительность. Ведь величина зазора в нашем подшипнике почти в 20 раз меньше толщины человеческого волоса, а величина допускаемой при измерении неточности — в 200 раз.

Как устроен воздушный микрометр?

Схема работы микрометра с воздушным поплавком: 1 — подвод воздуха; 2 — воздушный поплавок; 3 — конический сосуд; 4 — шкала

Представьте себе стеклянный сосуд в виде усеченного конуса.

Сосуд расширяется кверху. Снизу через систему регулирующих устройств подводится воздух под определенным и постоянным давлением. В сосуде струя воздуха расширяется и теряет давление — оно тем меньше, чем выше и больше каждое сечение конического сосуда. Внутри сосуда может перемещаться своего рода воздушный поплавок — он напоминает парашют: струя подведенного воздуха «дует» под его купол и заставляет «плавать» на каком-то определенном уровне без касания к стенкам сосуда.

Сверху от сосуда отходит трубка, которая через последующую систему регуляторов подводит воздух к измерительной головке и сквозь нее до выходного отверстия — сопла.

Предположим, нам надо проверить размер изделия в 5 миллиметров; верхний допуск — плюс 5 микронов, а нижний — минус 10 микронов. Из притертых мерительных плиток составляется сначала размер 5,005 миллиметра. Блок этих плиток подводится под измерительную головку таким образом, чтобы остался малый зазор определенной величины (например, в 1 миллиметр).

Теперь начинается подача воздуха от компрессора, и открывается отверстие выходного сопла. Расход воздуха через это сопло и зазор уменьшают величину давления воздуха в коническом сосуде и поплавок устанавливается на каком-то другом определенном уровне. Рядом с {160} коническим сосудом, параллельно его оси, расположена измерительная шкала и можно отметить то ее деление, на котором поплавок «замер».

После этого набор плиток убирается; составляется другой набор размером в 4,990 миллиметра и подводится под измерительную головку. Теперь зазор между срезом сопла и верхней поверхностью набора плиток увеличился на 10 микронов — значит, и скорость истечения воздуха из сопла увеличилась, а поэтому еще раз изменится давление в коническом сосуде; оно уменьшится, поплавок опустится еще ниже и «замрет» на другом уровне, а на шкале отметится соответствующее деление.

Получилось так, что на шкале отмечены пределы допусков измеряемой величины. Осталось убрать второй набор плиток и вместо него ввести под измерительную головку проверяемую деталь. Зазор между соплом и ее верхней поверхностью изменится в какую-то сторону — уменьшится или увеличится — и поплавок немедленно «почувствует» это, он переместится по оси конического сосуда и «замрет» на новом уровне. Если соответствующее деление измерительной шкалы окажется между двумя ранее отмеченными ее штрихами,— все в порядке, деталь правильно изготовлена; если же поплавок «подскочит» выше верхней отметки или «нырнет» ниже другой отметки, деталь неправильно изготовлена: в первом случае она «полнее» и ее еще можно «довести» до правильного размера, а во втором — она «запорота» и пойдет в брак.

Машиностроители научились сопоставлять величину перемещения поплавка по шкале с размерами измеряемых деталей (такое сопоставление называется «градуировкой» шкалы). Благодаря этому шкала воздушного микрометра не только показывает, насколько правильно, по допускам, изготовлена деталь, но и дает ее прямой размер. И, самое главное, этот размер указывается с удивительной точностью.

Вспомните, как работают рычажные и рычажно-оптические измерительные приборы. Они так устроены, что ничтожное изменение размера проверяемой детали вызывает в 50, 100, 200, 500 и даже в 1000 раз большее передвижение стрелки указателя по измерительной шкале. Поэтому легко отсчитываются изменения размеров даже в 0,5 микрона. Существуют и такие рычажно-оптические {161} приборы, в которых перемещение указателя в 16 000 раз больше величины изменения размера проверяемой детали Это значит, что можно отсчитывать изменение размера с точностью до 0,000025 миллиметра (до 1/40 доли микрона, или до 25 миллимикронов).

Воздушный микрометр с окрашенным водяным столбиком (вместо воздушного поплавка): 1 — головка с выходным отверстием для воздушной струи; 2 — универсальная стойка; 3 — душный микрометр и проверяемый предмет; 4 — столик для проверяемых деталей; 5 — шкала; 6 — трубка с водяным столбиком

Воздушный микрометр отличается тем, что его поплавок также перемещается по шкале на расстояние, в 10—12 тысяч раз большее, чем величина, на которую изменился зазор между срезом сопла измерительной головки и поверхностью проверяемой детали. Поэтому и этот прибор измеряет с такой же точностью.

Бывают и такие воз душные микрометры, в устройстве которых поплавок заменен подкрашенной водой в тонкой трубке. Эта трубка соединена с сосудом, в котором меняется давление подаваемого воздуха; уровень воды — в зависимости от этого давления — понижается или повышается. Рядом с трубкой — градуированная шкала. Величина перемещения уровня воды в трубке отмечается делениями шкалы. Именно такой воздушный микрометр и применяется, когда необходимо измерить величину той тончайшей воздушной прослойки, которая служит «смазкой» в подшипнике машины, о которой шла речь. {162}

Еще в начале XX столетия для тончайших измерений в физике понадобилась единица измерения пространства, с помощью которой можно было бы выражать величины расстояний между атомами внутри вещества, длины световых волн и, особенно, рентгеновых лучей. Такая единица измерения была установлена размером в одну десяти-миллионную миллиметра — ее назвали «ангстрем». Так, например, длину волны красного света кадмия, равную 0,644 микрона, удобнее выразить в ангстремах: 6,44 ангстрема. Казалось, что применяемые в технике измерительные приборы никогда не «дойдут» до такой точности. Однако в наше время показания наиболее чувствительных рычажно-оптических приборов и воздушных микрометров можно выразить и в ангстремах. В самом деле, ведь 0,000025 миллиметра — это 250 ангстремов.

Остановилась ли на этом техника измерительного дела в (машиностроении? Практически, да! Даже для самых тонких измерений в промышленности нет нужды в большей точности. Но возможности измерительной техники позволяют еще и еще увеличивать степень точности.

Как-то недавно в американских газетах и журналах появилась крикливая реклама одной фирмы, занимающейся производством измерительных приборов для промышленности. На все лады расхваливался новый рычажно-оптический прибор, в котором изменение проверяемого размера отмечалось перемещением указателя по шкале на расстояние, которое было в 6 000 000 раз больше. Так как глаз опытного наблюдателя-контролера довольно легко мог «отметить» перемещение указателя на 1/4 миллиметра, то это означало, что можно было осуществлять измерения с точностью до 1/24 000 000 миллиметра, или до 0,4 ангстрема (приближенно).

Но так случилось, что и у нас в СССР понадобился прибор такого же назначения, но еще более точный. И в научно-исследовательском бюро взаимозаменяемости было создано измерительное устройство, в котором каждому микроскопическому изменению размера соответствовало перемещение указателя по шкале на расстояние в 12 000 000 раз большее. Американская сверхточность была превзойдена в два раза. Если бы возникла практическая необходимость, советский прибор мог бы измерять с точностью до 1/48 000 000 миллиметра, или до 0,2 ангстрема. Величина этой точности в 1 500 000 раз меньше толщины человеческого волоса. {163}

Так наступило время, когда возможная точность измерения не только не отстает от точности изготовления деталей машин, но и намного опережает ее.

Машиностроители искали и находили много других способов точного измерения, особенно для затруднительных случаев, когда измеряемая величина трудно доступна или вовсе недоступна с помощью обычных инструментов и приборов. Они применяют для этой цели электрические и электромагнитные способы измерения и даже рентгеновские лучи и технику ультразвука. Рассказа обо всех этих чудесах измерительной техники нет в этой книжке. Автор не ставил перед собой цель описывать все виды измерительной техники или подробно растолковывать устройство тех приборов, о которых шла речь. Исключение сделано лишь для очень распространенных измерительных инструментов и приборов, которыми приходится пользоваться на каждом шагу в цехе, в мастерской.

Но о роли электричества в измерительной технике машиностроителей следует рассказать подробнее. Электричество оказалось наибольшей силой в деле создания высокопроизводительных автоматических линий станков. И оно же наилучшим образом приспособило к этим линиям измерительную технику, позволило создать «автоматических контролеров», сверхбыстрых и сверхточных.

Автоматические контролеры

Еще 200 лет назад понадобилось ускорить процесс проверки весов и размеров таких массовых изделий, как снаряды-ядра или монеты. Здесь нельзя было допускать выборочную проверку — надо было взвесить каждую монету или обмерить каждое ядро. А для этого нужно было много контролеров и много времени.

К XVIII столетию относится появление специального станочка для проверки размера ядер с постоянным кольцевым калибром и двумя наклонными поверхностями: если ядро проходило сквозь кольцо, оно тут же скатывалось по одной поверхности в кучу годных, принятых снарядов; если ядро не проходило сквозь кольцо,— легкое движение контролера скатывало его по другой поверхности в кучу негодных, непринятых снарядов. Такое приспособление намного ускоряло работу контролеров. {164}

А в XIX столетии появились проверочные машины для сортировки монет по весу. К этому времени один рабочий контролер сортировал вручную только 8 000 монетных кружков в день, а с помощью машин удалось поднять производительность его труда до 30 000 монет в день.

Чем больше совершенствовался и ускорялся процесс металлообработки, тем острее становилась потребность в ускорении и повышении точности проверки изделий. Чаще появлялись все более удачные самодействующие механические устройства для проверки массовых металлических изделий, таких, например, как шарики, гильзы ружейных патронов.

В XX столетии, когда появились станки-автоматы, положение стало еще более трудным. Ведь контролер, «вооруженный» предельным калибром или каким-нибудь универсальным измерительным инструментом, никак не мог справиться с измерением быстро накапливающихся изделий, требующих придирчивой точной проверки. Но дело не только в скорости проверки, но и в ее точности. Даже самый квалифицированный контролер может ошибиться — ему и зрение изменит, и рука дрогнет, и усталость скажется. Нет-нет, а проскочит в партию годных негодная деталь и повлечет за собой заторы в сборке или — еще хуже — перебой, аварию в работе машины. И тогда наиболее остро понадобились автоматические контролеры.

Чисто механические устройства уже не могли решить задачу — столь быстрая и точная работа требовалась от автоматических контролеров. На помощь таким устройствам пришла мгновенная и точная чувствительность, электрического тока. Электромеханические измерительные автоматы были поставлены рядом со станками-автоматами и полностью решили задачу быстрого и точного контроля.

Так, например, при изготовлении снарядных стаканов важно проверить не только размеры готового изделия, но и его вес: лишний грамм или нехватка одного-двух граммов отразится на качестве выстрела. Снаряд даст перелет или недолет, и выстрел будет сделан напрасно.

И тут на помощь пришли автоматические контролеры, работающие с такой же скоростью, как и автомат-станок.

За последним станкам, участвующим в обработке снарядов, стоит автомат-контролер веса снарядов. По {165} внешнему виду эта машина напоминает обыкновенную карусель. Вокруг центральной, неподвижной стойки карусели вращаются коромысла весов. На внешнем конце каждого коромысла длинная «люлька». Коромысло снабжено указателем, острие которого входит в спиральные направляющие канавки на центральной стойке карусели. Таких канавок три. Они-то и заменяют гири весов.

Вот внешний конец коромысла проходит мимо питателя. В этот миг из жолоба в люльку коромысла падает готовый снаряд. Люльки следуют безостановочно друг за другом и в каждую из них автоматически подается очередной снаряд.

Почти одновременно второй конец коромысла входит в одну из трех канавок. Если вес стакана не больше и не меньше заданной величины, указатель коромысла выбирает среднюю канавку-«гирю»; если вес превышает норму, указатель поднимется выше и войдет в верхнюю канавку; если же вес стакана окажется ниже, указатель опустится в нижнюю канавку.

Что же происходит после того как острие указателя войдет в спиральную канавку? Теперь уже коромысло полностью подчинено «гирям»-канавкам: указатель скользит по ним, и угол наклона коромысла зависит от того, куда указатель направлен. Там, где кончаются канавки, находится и место разгрузки люлек от стаканов.

В нижней части каждой люльки торчит стержень-палец. На конечном участке канавок этот палец встречает на своем пути три механических сбрасывателя. Они расположены в нижней части карусели. Первый — ниже двух следующих, и тут же под ними пристроен жолоб для приемки снарядов слишком большого веса. Второй слегка выше первого, и именно под ним находится жолоб, принимающий годные снаряды. Третий слегка выше второго, а под ним — жолоб для приемки снарядов слишком малого веса.

Предположим, что указатель скользит по верхней канавке. Это значит, что внешний конец коромысла опустит люльку в самое нижнее положение. На полной скорости палец споткнется о первый сбрасыватель, люлька повернется книзу, стакан выпадет... в жолоб для изделий, бракуемых по слишком большому весу. Если указатель скользит по средней канавке, палец пронесется над «первым сбрасывателем, но споткнется о второй: годный {166} стакан упадет в главный жолоб и покатится к следующей контрольной машине. Если же указатель скользит по нижней канавке, палец не заденет ни первый, ни второй сбрасыватели, но споткнется о третий и вывалит стакан из люльки в жолоб для изделий, бракуемых по малому весу.

Стакан, принятый по правильному весу, продолжает свое путешествие к следующей «умной» машине — контролеру-автомату, проверяющему размеры.

Автомат проверяет диаметры стакана в четырех местах, затем длину и расстояние от задней кромки ведущего пояска до переднего среза — всего шесть размеров. Поэтому на машине шесть контрольных позиций, и каждая из них обслуживается механическим «посыльным». Особый рычаг захватывает изделие и после проверки передает его на следующую позицию. Стакан задерживается на 2—3 секунды. За это время автоматические измерительные калибры успевают сделать свое дело. Если размер неправилен, калибры включают электрическое реле; оно приводит в действие специальный механизм и тут же бракует изделие, сбрасывая его в приемник брака.

Такие приемники устроены под каждой позицией, поэтому всегда известно, какие изделия по какому размеру забракованы. Больше этого, каждый приемник разделен на две части, и стаканы, забракованные по слишком большому размеру, падают в одну часть приемника, а забракованные по слишком малому размеру — в другую часть приемника.

Если же стакан благополучно прошел через все шесть позиций, он поступает в приемник годных изделий.

Такие автоматические контролеры идут в ногу с наиболее производительными станками-автоматами. Но появились в нашей стране агрегатные станки, еще более производительные и точные; затем они выстроились в автоматические линии и их производительность увеличилась. Непрерывно возрастают требования и к степени точности изготовления. Скоростная проверка размеров огромных партий деталей с точностью до единичных микронов и даже до долей микрона — вот какие задачи были поставлены именно перед советскими учеными и инженерами-специалистами измерительной техники. И они быстро и точно решили эту задачу путем еще {167} большего привлечения разнообразных электрических устройств в конструкции контрольных механизмов.

Так, например, еще перед Великой Отечественной войной советские изобретатели из Научно-исследовательского бюро взаимозаменяемости откликнулись на появление совершенных станков и поточных линий столь же производительным электромагнитным контрольным автоматом для проверки массовых партии деталей-валиков. Эти детали попадают со станка в магазин, откуда они быстро по одной подаются под головку — щуп измерительного устройства. Если размеры валика остаются в пределах допусков, специальный электрический сортировочный механизм сбрасывает его в приемник годных деталей. А если нет, если допуски не соблюдены? Чтобы ответить на этот вопрос, следует получше вникнуть в устройство автомата. Цилиндрический стержень мерительной головки соединен с опорой качающейся детали, напоминающей коромысло весов. Когда валик проходит под щупом, стержень в зависимости от величины изменения диаметра, детали совершает ничтожные перемещения по своей оси. При этом он «качает» коромысло то в одну, то в другую сторону и оно перекашивается. Пока размер валика остается в пределах допусков, это перекашивание происходит «вхолостую», и валики катятся из-под головки в приемник годных изделий. Но вот диаметр одного из валиков оказался больше допустимого — один край коромысла качнулся побольше и при этом коснулся одного из двух сортировочных контактов. Немедленно срабатывает электромагнитное устройство, открывается заслонка приемника валиков, бракованных по признаку превышения размера, куда и скатывается негодное изделие. Если диаметр валика меньше допустимого, другой край коромысла качнется настолько, что произойдет соприкосновение со вторым сортировочным контактом — откроется другая {168} заслонка, куда скатится изделие, забракованное по» признаку заниженного размера. Получается как будто картина взвешивания на весах с коромыслом, но взвешиваются не граммы или миллиграммы, а миллиметры или микроны. И эта точная сортировка происходит со скоростью в 20 000 валиков за 8 часов — автоматический контролер заменяет нескольких рабочих, не допуская при этом ни одной ошибки. Такой контролер не отстанет от любого станка-автомата или даже от автоматической линии станков, обеспечит их бесперебойную и точную работу.

Мерительная головка автоматического контролера: 1 — контактные винты; 2 — рычаг-коромысло; 3 — мерительный шрифт; 4 — изделие

А вот другой пример. Несколько лет назад, вместе с другими контрольными автоматами, наши машиностроители стали применять созданный советскими изобретателями прибор для проверки 13 размеров поршня двигателя. Сколько размеров — столько же пар световых сигналов на панели прибора. И сколько размеров, столько же подвижных измерительных штифтов «торчат» из своих гнезд. Эти гнезда так расположены по отношению к измеряемому поршню, что когда изделие устанавливается в прибор, оно нажимает на штифты всеми проверяемыми поверхностями.

Если допуски соблюдены, сигналы на панели «молчат». Но вот один из штифтов глубже «дозволенного» ушел в свое гнездо. Это значит, что данный размер недопустимо «полнее» назначенной чертежом величины. Немедленно вспыхивает тот из соответствующей пары сигналов, который как бы предупреждает: «внимание, этот размер больше верхнего допуска!». А если контрольный штифт под «нажимом» проверяемого размера недостаточно «ушел», это значит, что данный размер меньше нижнего допуска; тогда вспыхнет другой из пары сигналов и предупредит, что поршень забракован. Такой прибор заменяет 10—15 контролеров.

До сих пор речь шла о таких автоматических контролерах, которые проверяют уже изготовленную деталь. Они уличают станки в плохой работе уже после того, как эта работа завершена, и недостатки бывает либо трудно, либо вовсе нельзя устранить. Но советские конструкторы измерительных автоматов особенно потрудились над тем, «чтобы создать более «разумных» автоматических контролеров, которые обеспечивали бы точность соблюдения {169} размеров в процессе обработки на станках, чтобы исключить брак готовых изделий.

Существует металлообрабатывающий станок узко специального назначения — на нем шлифуется канавка-жолоб на поверхностях колец для шариковых подшипников. Такой станок так и называется жолобошлифовальный. Точность размеров готового изделия — в пределах до 5 микронов. Очень важно поэтому, чтобы станок, на котором выполняется и начальная «черновая» и отделочная «чистовая» обработка, точно выполнял каждую операцию, не снимая лишнего, пусть самого ничтожного слоя металла. Советские изобретатели приспособили к этому станку контрольный прибор-автомат, который управляет обработкой, «зорко следит» за инструментом, в надлежащее мгновение автоматически переключает станок с черновой обработки на чистовую и выключает его, как только достигнута наилучшая степень точности изготовления.

И когда после этого проверяются размеры кольца, оказывается, что желоба обработаны с поражающей воображение точностью — до 2 микронов.

В 1951 году группа советских инженеров была удостоена высокой награды — Сталинской премии — за создание автоматических контролеров для проверки размеров и сортировки конических роликов.

Плитки — «ловцы» микронов

Строжайшие контролеры всех измерительных средств машиностроителей, инструментов и приборов,— это мерительные плитки.

Для примера возьмем случай проверки переставной предельной скобы.

Двумя наборами плиток составляем оба предельных размера: верхний и нижний. Если скоба правильно отрегулирована, то оба набора плотно войдут в пространство между мерительными стержнями и удержатся в нем. Если промежуток между губками скобы недостаточен, соответствующий набор не пройдет, а если, наоборот, промежуток велик, то набор не удержится и выпадет. С помощью соответствующего набора плиток и специального держателя можно «составить» для пробки точную проверочную скобу, а для кольца — радиусный калибр.

Плитками можно также проверить точность микрометра, миниметра, оптического прибора, воздушного микрометра и контрольных автоматов. {170}

При изготовлении очень точных изделий встречается необходимость в такой же точной их разметке. Для этого изготовляют специальные чертилки. Их опорные поверхности обработаны так же, как и мерительные поверхности калибров. Разметку производят на специально точной плите с помощью набора из тех же плиток.

Получается, что именно мерительные плитки служат машиностроителям, как самые надежные «ловцы» микронов. Как обеспечивается такая высокая надежность?

Мерительные плитки еще больше, чем калибры, боятся колебаний температуры. Специальными нагревательными и охлаждающими установками температура помещений, где изготовляются плитки, регулируется с отклонением не более чем в 1 градус от принятой в качестве нормальной (при производстве точных измерений) температуры в 20 градусов. Но и этого бывает недостаточно для особо точных измерений, так как колебания температуры, меньшие 1 градуса вызывают изменения размеров. В таких случаях приходится определять температуру изделий с точностью до 0,01 градуса и путем расчета вносить поправки в результаты измерения. Даже теплота человеческого тела, передающаяся плиткам во время их изготовления, тоже оказывает заметное влияние на их размеры. Если не принять этого во внимание, то изготовленная плитка пойдет в брак.

Освоение производства плиток высшей точности является огромным достижением металлообрабатывающей и измерительной техники XX века. В нашей стране успешно решена задача машинного изготовления плиток.

Мерительные плитки обеспечивают достижение в производстве точностей, выражаемых долями миллиметра, до микронов включительно. Из этого следует, что сами плитки должны отличаться исключительно высокой точностью размеров. При их изготовлении допускаются лишь отклонения, которые выражаются десятыми долями микрона или десятитысячными долями миллиметра. Но те измерительные приборы, которые могут улавливать такие отклонения, в свою очередь должны отличаться еще более разительной точностью. Тут уже нужно располагать точностями порядка стотысячных долей миллиметра. В следующем рассказе мы познакомимся с устройством измерительных приборов, применяемых для измерения мельчайших долей миллиметра. {171}

Как проверяются измерительные плитки

Для проверки правильности размеров и гладкости плоскостей особо точных калибров, в частности, плиток, недостаточно точности, обеспечиваемой рычажными и обыкновенными оптическими приборами. Здесь нужна точность до 0,00001 миллиметра и выше. Эта исключительная точность достигается с помощью приборов, в устройстве которых также использованы законы оптики, а именно законы интерференции световых волн. Такие приборы называются интерферометрами.

Из тех сведений об измерительных плитках, которые приведены выше, мы уже знаем, что мерительные поверхности плиток должны представлять собой правильные плоскости, и фактическое расстояние между мерительными поверхностями должно точно равняться проставленному на плитке числу, выражающему величину этого расстояния в миллиметрах.

На практике, однако, редко удается удовлетворить все эти требования. Всегда случаются отклонения от идеальной точности. Величина допускаемых отклонений рассчитывается заранее. Производство плиток налаживается таким образом, чтобы не выходить за пределы этих отклонений, величины которых выражаются десятитысячными долями миллиметра.

100-миллиметровая плитка может иметь отклонение от размера в одну или в другую сторону не больше чем на 0,6 микрона, т. е. это отклонение должно приближаться к длине волны красного луча света из солнечного спектра. Чем меньше размер плитки, тем меньше и допускаемое отклонение. В плитках длиной в 70 миллиметров допускается отклонение не больше 0,45 микрона, т. е. примерно на величину длины волны фиолетового луча света. Самое малое отклонение для наименьших размеров не превышает 0,2 микрона. Наряду с допусками на неточность размера существуют еще допуски на отклонение от параллельности. Эти допуски еще меньше. Наибольший равен 0,4 микрона, наименьший — 0,1 микрона.

Для улавливания таких микроскопических длин применяют различные системы интерферометров.

Устройство промышленных интерферометров основано на той же схеме, что и прибор, которым измеряли длину метра в длинах световых волн. Но вместо волны какого-либо {172} одного одноцветного луча света (как красный цвет спектра кадмия) в промышленных интерферометрах используется весь спектр определенного источника света. Это значит, что на измеряемой длине наблюдаются интерференционные полосы от каждого одноцветного луча, участвующего в спектре данного источника света. Расстояние между каждой соседней парой одноцветных полос соответствует известной нам длине волны данного одноцветного луча света.

Измеряемые плитки устанавливаются одной мерительной поверхностью на переставной столик интерферометра таким образом, чтобы интерференционные полосы наблюдались на проверяемой поверхности. Получается ряд строго параллельных и прямых или криволинейных световых полос со свойственным каждой полосе особым цветом. При проверке плиток на неровность поверхности их устанавливают, регулируя положение столика прибора таким образом, чтобы кромка испытуемой поверхности воспринимала какой-либо один из лучей, окрашивалась в один цвет, например в фиолетовый. Тогда все точки поверхности испытуемой плитки, находящиеся на этом же уровне (или весьма близкие к нему в пределах длины волны фиолетового луча), будут тоже окрашены в фиолетовый цвет.

Все приподнятые точки будут последовательно окрашены полосами следующих за фиолетовым спектральных цветов. Если поверхность имеет неровности, то возвышения и впадины рельефно выделяются вследствие окраски их в разные цвета.

Полосы располагаются по кругу, по точкам поверхности, находящимся на одном и том же уровне; им соответствуют одинаковые длины волн и эти точки одинаково удалены от источников света. Поэтому все они и окрашиваются каким-либо одноцветным лучом.

При контроле готовых плиток встречается необходимость установить факт полной гладкости (плоскостности) поверхности плитки. Для этого достаточно слегка приподнять на подставке край плитки, чтобы испытуемая поверхность освещалась пучком разных одноцветных лучей под некоторым углом. Если поверхность плоска, то полосы будут прямыми и параллельными друг другу, в противном случае полосы будут в большей или меньшей степени искривлены. Этим способом контроля улавливаются отклонения, выражаемые долями микрона.

{173}

{174}

Проверка плиток на параллельность ее поверхностей: а — плитка установлена так, что плоскость одной из испытуемых поверхностей совпадает с одним из одноцветных лучей и окрашивается им; б — окраска той же поверхности после поворота плитки на 180° вокруг ее вертикальной оси изменилась: поверхность окрасилась не одним (тем же) цветом, а рядом различных одноцветных и параллельных полос; это означает, что испытуемая поверхность не параллельна нижней поверхности плитки, расположенной в плоскости стола; в и г — поверхности плитки параллельны друг другу — после поворота плитки окраска поверхности не изменилась

Проверка поверхности плиток на неровность и плоскостность: а — световые одноцветные круги на выпуклой поверхности; б — световые одноцветные круги на вогнутой поверхности; в — световые одноцветные круги на неровностях поверхности; г и д — прямые и параллельные одноцветные полосы на правильных плоских поверхностях

Пользуясь интерферометром, легко также установить, отклоняются ли мерительные поверхности плитки от взаимной параллельности. Плитка устанавливается на столик прибора, положение которого регулируется таким образом, чтобы одна из испытуемых поверхностей располагалась в плоскости направления одного из лучей.

Проверка плиток на правильность размера: а — образцовая плитка установлена так, что плоскость ее верхней поверхности совпадает с каким-либо одним лучом; б — проверяемая плитка устанавливается на том же столе рядом; если размер плитки правилен, верхняя ее поверхность будет окрашиваться тем же лучом; если размер плитки больше (или меньше), чем размер образцовой, то верхняя поверхность окрасится другим лучом. Величина отклонения определяется числом параллельных полос на боковой поверхности проверяемой плитки (если она больше) или образцовой плитки (если проверяемая плитка меньше); в и г — размер проверяемой плитки равен размеру образцовой

После этого плитка поворачивается на 180 градусов вокруг своей вертикальной оси. Если испытуемая поверхность параллельна нижней, расположенной в плоскости стола, то после поворота окраска ее не изменится. Если же поверхности непараллельны, то после поворота на испытуемой поверхности образуется ряд параллельных полос. Число этих полос дает возможность определить в долях микрона величину отклонения мерительных поверхностей от параллельности.

Для проверки правильности размера пользуются интерферометром, но уже с помощью образцовой плитки.

Образцовая плитка устанавливается так, чтобы ее верхняя поверхность лежала в плоскости направления одного какого-либо луча, {175} а сравниваемая плитка устанавливается на том же столе рядом. Если размер ее правилен, то верхняя поверхность будет находиться в той же плоскости и окрашиваться тем же лучом. Если же размер проверяемой плитки больше, чем размер образцовой, то верхняя поверхность окажется окрашенной в другой цвет. По числу полос на боковой поверхности плитки определяют величину разности размеров. Если бы испытуемая плитка оказалась меньше образцовой, то в этом случае величину разности размеров можно было бы определить по числу полос на боковой поверхности образцовой плитки.

Создание интерферометра явилось еще одной ступенью на пути к завоеванию точности, так как дало возможность определять длины, выражаемые в миллимикронах, в миллионных долях миллиметра.

*  *  *

Много побед одержано советскими учеными-специалистами измерительной техники. Их высокие достижения и послужили тем фундаментом, на котором удалось создать еще более удивительные автоматические контрольные устройства и включать их сначала в автоматические линии станков, а вскоре после этого в строй чудесных установок завода-автомата.

Завод-автомат (вместо заключения)

Как-то одному из капиталистов-заводчиков в США задали вопрос, — можно ли автоматизировать производство любых деталей машин. Он ответил: «Да, можно. Если только спрос настолько велик, что сбыт огромного количества изделий будет обеспечен». Иными словами «овчинка стоит выделки», если «дело» сулит наибольшую прибыль.

Наибольшая прибыль, стремление обеспечить ее любыми средствами—лишь это может заставить капиталистов пойти на затраты для автоматизации производства. Но там, где они начинают ее осуществлять, обнаруживается их стремление еще к одной важной цели, к всемерной замене людей у станков механическими рабочими — «роботами», такими, которые никогда не предъявляют ни экономических, ни политических требований, не устраивают забастовок, не объединяются на своих заводах и фабриках в мощные боевые отряды классово-революционной {176} армии труда, борющейся за социальную справедливость. Капиталисты страшатся своих рабочих и, автоматизируя свои предприятия, лелеют надежду заполучить в цехи своих заводов армии «роботов» — механических рабов капитализма.

В нашей стране не эти низменные, а возвышенные благородные цели вдохновляют организаторов социалистической промышленности, ученых, изобретателей и рационализаторов.

Человек, его творческие возможности — это самая большая ценность и сила в Советской стране. Освободить как можно больше этой силы от тяжелого физического труда, переключить ее на более высокую ступень созидательного труда — вот одна из основных целей автоматизации наших промышленных предприятий.

В странах капитала людей физического и умственного труда разделяет глубокая, непроходимая пропасть.

В Советской стране каждая новая машина, особенно автоматическая, освобождает руки человека, сберегает и облегчает его труд, требует от него меньше физического и больше умственного труда — управления ее работой. А предоставленная каждому трудящемуся самая широкая возможность учиться, совершенствовать свои знания, повышать свой культурно-технический уровень до уровня инженерно-технического персонала приводит к постепенному уничтожению существенных различий между умственным и физическим трудом.

Самая же главная, самая основная цель автоматизации производства в нашей стране — содействовать обеспечению наибольшего удовлетворения постоянно возрастающих материальных и культурных потребностей всего общества путем непрерывного роста и совершенствования социалистического производства на базе высшей техники.

Потребности свободных людей первой в мире страны социализма увеличиваются с каждым днем. Приближаются еще более счастливые времена коммунизма, когда каждый из нас, отдавая стране все свои трудовые возможности, будет получать от общества все блага по своим потребностям.

Отдельные совершенные автоматические машины или даже автоматические линии таких машин уже не смогут удовлетворять эти растущие потребности Нам нужны фабрики-автоматы, заводы-автоматы, такие промышленные {177} предприятия, которые в кратчайшие сроки обеспечат советским людям изобилие предметов потребления. Только такие фабрики и заводы смогут справиться с изготовлением миллионов и миллионов различных вещей и предметов, облегчающих труд и жизнь, делающих ее еще более счастливой.

В нашей стране уже существуют такие предприятия, как, например, в пищевой промышленности — автоматические хлебозаводы, консервные заводы, кондитерские фабрики. И в других отраслях промышленности постепенно создаются такие отдельные рабочие машины и линии машин, которым рука человека только подает начальный продукт и принимает от них готовые изделия, но ни разу не вмешивается в процесс изготовления.

В наши дни созданы и работают даже такие автоматические машины, которые в ничтожные доли времени производят за нас расчеты, экономя месяцы и годы тяжелого умственного труда. Все больше и больше совершенных машин жизненно необходимо нам в годы, когда страна быстрыми шагами идет к коммунизму.

И чтобы эта важнейшая потребность нашей страны была удовлетворена наилучшим образом и в кратчайшие сроки, необходимо как можно больше увеличить производительность металлообрабатывающих станков, с помощью которых изготовляются все машины, и объединить их не только в отдельные автоматические линии, но и в цехи-автоматы, в заводы-автоматы.

Новейшие достижения советских станкостроителей и специалистов измерительной техники — высокопроизводительные автоматические линии станков и всевозможные контрольно-измерительные автоматы еще несколько лет назад вплотную приблизили советскую технику к решению труднейшей задачи — к созданию машиностроительных заводов-автоматов.

Это почетное дело было возложено правительством на Экспериментальный научно-исследовательский институт металлообрабатывающих станков (ЭНИМС), и человек, который в свое время начал прокладывать новые пути и советском станкостроении, член-корреспондент Академии наук СССР Владимир Иванович Дикушин и его сотрудники, в тесном творческом содружестве с деятелями смежных областей науки и техники, уже дали первое решение этой большой и важной технической задачи — создали {178} завод-автомат для производства поршней двигателя грузового автомобиля ЗИС-150.

Почему была выбрана именно эта деталь двигателя автомобиля? Среди деталей всех машин есть такие, потребность в которых уже теперь исчисляется десятками миллионов штук в год. Это — сменные запасные части сельскохозяйственных машин, тракторов, автомобилей. Сотни тысяч этих машин работают на полях нашей Родины, мчатся по ее дорогам. Их рабочие детали изнашиваются, требуют частой замены. В каждой машине на протяжении года по нескольку раз приходится менять отдельные части. И если умножить сотни тысяч грузовых автомобилей на годовое количество заменяемых поршней для каждого из них, получится потребность, которая выразится в миллионах штук.

Чтобы своевременно и полностью удовлетворить эту потребность и понадобился в первую очередь завод-автомат для производства поршней.

Можно подумать так: ведь и в этом случае речь идет об обработке лишь одной детали двигателя, пусть более сложной в изготовлении. Почему же понадобился целый завод-автомат, а не одна только более или менее длинная автоматическая линия станков?

Действительно, «сердце» этого завода-автомата такая же, по существу, связанная линия разнообразных по назначению и совершенных по устройству станков-автоматов, на которых и выполняются многочисленные тонкие и точные операции механической обработки заготовки поршня. Чтобы подробно описать ход обработки деталей в этой линии, пришлось бы повторить рассказ об изумляющих наблюдателя чудесах «разумной» автоматики, о тех чудесах советской передовой техники, с которыми мы уже познакомились, когда речь шла о «линиях великой пятилетки». Но на станках тех линий выполнялось сравнительно мало не очень сложных операций обработки отверстий и плоских поверхностей в корпусных деталях жесткой коробчатой формы, — они легче поддаются установке и передаче с одной позиции на другую. Другое дело — поршень двигателя. Это — цилиндрическая деталь с очень сложно оформленной внутренней поверхностью, с горизонтальными и вертикальными канавками и прорезями, с очень точными по диаметру отверстиями. Пришлось создать и ввести в автоматическую линию еще небывалые {179} в ней токарные агрегатные станки, включить в нее шлифовальные станки, обеспечить такое устройство рабочих механизмов линии, чтобы в процессе обработки не были нарушены требования разительной точности, которые предъявляются к форме и размерам отдельных частей поршня. Все это поставило перед станкостроителями новые многочисленные трудные задачи. Их успешное решение привело к созданию еще более совершенной и удивительной автоматической линии станков — «сердца» завода-автомата, его механического цеха, в котором заготовка-отливка превращается путем обработки режущими инструментами в полностью оформленное, но еще не окончательно отделанное изделие.

Заготовка-отливка рождается в других «цехах» завода-автомата, — в литейном, термическом и подготовительном, а затем лишь поступает в станки автоматической линии. Там, где начинается изготовление поршня, алюминиевые чушки автоматически подаются в печь, металл правится, очищается, точными дозами подается в отливочную машину, превращается в пока еще грубую отливку, очень мало напоминающую форму изделия. Эта отливка также автоматически перемещается по линии рабочих установок, проходит все операции грубой механической и тепловой обработки, затем проверку твердости металла, пока не превратится в исходную заготовку, которая через промежуточную «кладовую» поступает на первый станок автоматической линии. А когда она уже превратилась в поршень, нуждающийся только в окончательной отделке, изделие автоматически перемещается по следующей линии замечательных рабочих установок. Одни из них взвешивают изделие и подгоняют его вес, отрезая точно взвешенные излишки материала. Другие — шлифовальные станки — окончательно отделывают поверхности и передают поршни в лудильную установку, где нижняя часть изделия — «юбка» поршня — покрывается тонким слоем олова. Еще дальше окончательно обрабатываются — с точностью до 10 микронов — отверстия под палец кривошипа. Затем полностью готовые поршни поступают в моечную установку, а из нее — в контрольный автомат. Здесь придирчиво и точно проверяются размеры изготовленных изделий. И, наконец, поршни скатываются в установку, которая «заботливо» смазывает их, аккуратно завертывает в бумагу и укладывает по шесть штук в картонные коробки. {180}

Но где же люди? Неужели их вовсе нет здесь и они не принимают участия во всем этом сложнейшем процессе?

Нет, люди есть. Но их очень немного. Работой всех станков, всех линий, всех передаточных и транспортных приспособлений, всех контрольных автоматов управляет один человек. Это — диспетчер завода, «дирижер» огромного «оркестра» машин-автоматов.

Его пост — пульт управления заводом — находится в стороне от машин и станков. От пульта ко всем действующим механизмам протянуты электропровода. По этим «щупальцам» управления диспетчер отдает свои приказы и по ним же станок, машина, автомат рапортуют о выполнении распоряжений диспетчера.

Пульт управления — это стол с панелью-экраном и с множеством различных кнопок и световых сигналов, выстроившихся строгими рядами. У пульта — телефонные аппараты, радиорепродуктор и микрофон.

Только в трех местах длинной линии производственного процесса рука человека помогает машинам выполнять свою работу: в самом начале этой линии рабочий укладывает алюминиевые чушки на подающий транспортер. Первый станок «механического цеха» обслуживается вторым рабочим, который только устанавливает изделия в приспособлении и извлекает их после окончания операции. Такая же работа (установка в приспособление и выемка изделия) выполняется третьим «оператором» у станка для окончательной доводки отверстия под палец кривошипа.

Вдоль линий завода расставлено еще несколько человек, но они не вмешиваются в работу машин, а только-стерегут возможные неполадки. Тогда эти люди — наладчики машин — приходят на помощь, быстро устраняют неполадку, восстанавливают нормальный ход производства.

Наладчики, которым подведомственны отдельные группы и участки, — это, по существу, те же многостаночники, поднявшиеся на более высокую ступень своего мастерства. Они внимательно приглядываются к работе каждой установки, прислушиваются к ее «голосу», к шуму механизмов и готовы прийти на помощь машине. Для этого рабочий, разумеется, должен в совершенстве знать не только механизмы отдельных устройств, но и взаимосвязь {181} между ними. Это уже не только физический труд, но и умственный.

Таков в общих чертах первый металлообрабатывающий завод-автомат, уже вступивший в строй предприятий автомобильной промышленности. Линии его рабочих машин во много раз увеличили производительность труда, ускорили темпы производства, дали стране миллионы рублей экономии в год только на узком участке изготовления поршней для двигателя ЗИС-150. Вот почему можно выразить уверенность в том, что металлообрабатывающие заводы-автоматы вскоре прочно займут большое место в советском машиностроении.

Роль станков в нашей жизни первостепенна. Теперь мы знаем это.

Вот почему растет, развивается, опережает технику капиталистического мира советское станкостроение, станкостроение коммунизма.

Станкостроители и станочники стали одним из славных отрядов великой армии трудящихся, идущей за товарищем Сталиным вперед к овладению вершиной человеческого счастья, к коммунизму.

Сталинский план развития СССР на 1951—1955 гг. поставил перед этим отрядом боевую задачу — примерно в два раза увеличить производство чудо-станков, мощных, точных, высокопроизводительных, и тех приборов, которые помогают управлять этими станками и обеспечивать высокую точность, чтобы за пятилетие примерно вдвое возросло количество машин, выпускаемых советскими заводами.

Решая эту задачу, советские люди, советские инженеры и ученые-станкостроители, руководимые гением великого Сталина, создадут в числе других промышленных предприятий коммунизма замечательные творения освобожденного труда — машиностроительные заводы-автоматы, выпускающие целиком собранные и надежно испытанные двигатели и рабочие машины.

{182}

ОГЛАВЛЕНИЕ

Часть первая. О СТАНКАХ

Глава I. Первый переворот ... 3

Лук и гибкая жердь ... 3

Мастер из навигацкой школы ... 8

Солдат Ораниенбаумского батальона  ... 18

Через 45 лет — в Англии  ... 25

Историческая несправедливость  ... 27

Замечательные русские станкостроители  ... 33

Обмен ролями  ... 40

Глава II. Второй переворот  ... 42

Исчезнувший лес  ... 42

Второе путешествие двигателя  ... 46

Электрический помощник  ... 48

«Мир» станков  ... 49

Не все то гладко, что блестит  ... 53

Сверхдоводка  ... 58

Глава III. Автоматический помощник  ... 61

Станок-револьвер  ... 61

Восемь позиций  ... 64

Автоматы-помощники  ... 66

Зрячие станки  ... 67

Глава IV. Чудесные линии  ... 74

Следующий шаг  ... 74

Новое «слово»  ... 80

Автоматические линии  ... 87

Часть вторая. О КАЛИБРАХ

Глава I. До метрической системы.  ... 98

Королевские конечности и ячменные зерна  ... 98

Туаз и метр  ... 102

Метрическая система  ... 105

{183}

Глава II. Неизменная мера  ... 113

Немного физики  ... 113

Арифметика световых волн  ... 114

Метр — в длинах световых волн  ... 117

Глава III. Заводские представители метра  ... 119

«Лестница» точности  ... 119

Замечательные плитки  ... 120

«Клей-невидимка»  ... 121

Глава IV. Взаимозаменяемость и точность  ... 124

Что такое взаимозаменяемость?  ... 124

Пушки и снаряды  ... 126

Происшествие на Тульском заводе  ... 127

Глава V. Инструменты точности  ... 134

Кольцо и пробка  ... 134

Что такое допуск?  ... 135

Допуск в действии  ... 137

Точность в 0,5 миллиметра  ... 139

Точность в 0,1 миллиметра  ... 143

Точность в 0,01 миллиметра  ... 147

Точность в 0,001 миллиметра  ... 152

Новые средства точности  ... 158

Автоматические контролеры  ... 164

Плитки-«ловцы» микронов  ... 170

Как проверяются измерительные плитки  ... 172

Завод-автомат (вместо заключения)  ... 176

*  *  *

Научный редактор М. С. Лебедев

Редактор А. В. Гуран Техн. ред. К. Н. Крыночкина

Л-169574.

Сдано в набор 30/VIII-52 г.

Подп. к печ. 8/XII-52 г.

Бумага 84×108^1/32—2.875 бум. л.=9,43 п. л. В 1 п. л. 35200

Тираж 30000. Уч.-изд. л. 9,63.

Уч. № 224/1299.

Цена 2 руб. 90 коп.

Тип. Трудрезервиздата.

Москва, Хохловский, 7.

Зак. 1122.

Примечания

1

Труды Первого съезда русских естествоиспытателей в С.Петербурге (28 декабря — 4 января 1867—1868 гг.)

Content

З.Н.Перля
О станках и калибрах

ОТ АВТОРА

Часть первая. О СТАНКАХ

Глава I. ПЕРВЫЙ ПЕРЕВОРОТ

Лук и гибкая жердь

Мастер из навигацкой школы

Солдат Ораниенбаумского батальона

Через 45 лет — в Англии

Историческая несправедливость

Замечательные русские станкостроители

Обмен ролями

Глава II. ВТОРОЙ ПЕРЕВОРОТ

Исчезнувший «лес»

Второе «путешествие» двигателя

Электрический помощник

«Мир» станков

Не все то гладко, что блестит

Сверхдоводка

Глава III. АВТОМАТИЧЕСКИЙ ПОМОЩНИК

Станок-револьвер

Восемь позиций

Автоматы-помощники

«Зрячие» станки

Глава IV. ЧУДЕСНЫЕ ЛИНИИ

Следующий шаг

Новое «слово»

Автоматические линии

Часть вторая О КАЛИБРАХ

Глава I. ДО МЕТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

Королевские конечности и ячменные зерна

Туаз и метр

Метрическая система

Глава II. НЕИЗМЕННАЯ МЕРА

Немного физики

Арифметика световых волн

Метр — в длинах световых волн

Глава III. ЗАВОДСКИЕ «ПРЕДСТАВИТЕЛИ» МЕТРА

«Лестница» точности

Замечательные плитки

«Клей-невидимка»

Глава IV. ВЗАИМОЗАМЕНЯЕМОСТЬ И ТОЧНОСТЬ

Что такое взаимозаменяемость?

Пушки и снаряды

Происшествие на Тульском заводе

Глава V. ИНСТРУМЕНТЫ ТОЧНОСТИ

Кольцо и пробка

Что такое допуск?

Допуск в действии

Точность в 0,5 миллиметра

Точность в 0,1 миллиметра

Точность в 0,01 миллиметра

Точность в 0,001 миллиметра

Новые средства точности

Автоматические контролеры

Плитки — «ловцы» микронов

Как проверяются измерительные плитки

Завод-автомат (вместо заключения)

ОГЛАВЛЕНИЕ

Примечания