История создания токарного станка

Обработкой металла люди стали заниматься очень давно. Одновременно с этим начались поиски приспособлений, которые бы помогали в работе и ускоряли ее. Но прогресс в этом вопросе был неоднозначным – находки и открытия, сделанные одним народом, исчезали со временем, чтобы появиться снова у других, десятки и сотни лет спустя.

Одно из таких приспособлений, позволяющих вытачивать заготовки из различных материалов, является токарный станок, прошедший длительную историю развития. Прототипом вращения заготовки в нем стало простейшее устройство, позволяющее добывать огонь и делать примитивные отверстия. Операция выполнялась с использованием деревянной палочки и песка, что позволяло получить отверстия в камне, требующиеся для соединения с рукояткой.

Современный токарный станок широко востребован в различных сферах. Его появление относится к 700-м годам н.э. С помощью первых моделей обрабатывали древесину, три столетия спустя был разработан агрегат, позволивший работать с металлами. За 27 столетий человек сумел превратить примитивные механизмы в высокотехнологичные машины с ЧПУ.

Первые упоминания токарных станков

Изобретение токарного станка шло по долгому пути. Первые изображения подобных машин обнаружились еще в древнем Египте – на найденных фресках хорошо заметен приводной лучковый механизм. Деталь зажимали в центре, вокруг нее обвивали тетиву, после чего натягивали на лук. Сидевший рядом раб совершал циклические движения, что обеспечивало постоянное вращение заготовки. Сам же мастер располагался на полу, ведя инструмент в нужную сторону.

Позже египетские лучковые устройства дополнились продольной линейкой. На ней были нанесены деления, она использовалась в качестве опоры для резца. Это позволяло создавать практически одинаковые по размерам детали – колонны, ножки столов и т.д.

Со временем оборудование подвергалось, так появились модели с ножным приводом. Принцип их функционирования похож на лучковые, но процесс проходит без участия второго человека. Агрегат работал за счет упругости древесной ветки. При работе деталь обматывали веревкой, оставляя висеть петлей вниз одним концом. Второй конец закрепляли на ветку дерева. В висящей петле мастер располагал ногу, после чего нажимал на ее вниз. Под действием силы натяжения деталь успевала совершить пару оборотов. Когда мастер отпускал веревку, привязанная ветка распрямлялась, конструкция вращалась аналогичным образом в обратном направлении.

На рисунках, датированных 1400 г., древний станок переместили в помещение и оснастили бабками для обработки разнокалиберных заготовок. В 1518 г. увидела свет модель императора Максимилиана. Она предусматривала наличие металлических центров, а также подвижный люнет, двигающийся по направляющим. Детали корпуса были декорированы узорами в виде старинных укреплений, а ручки своими контурами напоминали воинов.

Особенности устройства древних моделей

Сегодня, когда в нашем распоряжении лазерная резка и оборудование для гибки металла с ЧПУ, обработка металла вышла на невероятный уровень продуктивности. Но буквально пару столетий назад всё было совсем иначе.

Первые механизмы, отдаленно схожие с современным токарным оборудованием, оснащались канатно-ручным приводом. Другим вариантом была модель Шерюбена (1671 г.). Устройство работало от ножного привода, было оборудовано коленвалом, обеспечивающим вращение детали. Наличие ступенчато-шкивного привода обеспечивало регулировку частоты вращения заготовки.

История развития токарного дела

Таким образом, история появления токарного станка уходит своими корнями в далекое прошлое, во времена древнего Египта образца бронзового века. Струнно-токарные механизмы того времени работали от возвратно-поступательного движения. Их отличительные черты заключались в следующем:

• Движущей силой являлся человек, который тянул поочередно концы веревки, намотанной по укрепленному на паре подшипников валу.
• Заготовка фиксировалась на валу. Второй рабочий управлял движением режущего инструмента.

Порядка 3500 лет назад привод токарный станок получил модернизированную конструкцию – струнную, которая использовалась вплоть до 16 столетия. Для работы также применялся шнур, наматываемый на приводной вал. Один конец его фиксировался на ножной педали, другой – на ветви дерева. С нажатием педали шнур опускался вниз, обеспечивая вращение вала, что вызывало сжатие упругого элемента. При сокращении давления шнур возвращался, а сам вал поворачивался обратно. Чуть позже дерево заменили пружинообразой аркой, укрепленной на потолке. Параллельно с этим появилась и начала развиваться такая профессия, как токарь.

Как работали первые модели

Ранние модели оборудования оснащались общим приводом. За передачу вращения в них отвечали ременные передачи. Но выставить точно количество оборотов, совершаемых заготовкой, не предоставлялось возможным. Движение суппорта по плоскостям определялось числом оборотов вала, настраиваясь сменой шестерен коробки передач. Изменить скорость вращения шпинделя позволяла переброска ремня с задействованием шкива требуемого диаметра.

Точность подачи инструмента для таких конструкций равнялась 0,1 мм. Описываемый процесс обработки не поддавался автоматизации, что делало невозможным изготовление крупных партий деталей, а также получение точных заготовок.

Ряд проблем, связанных с работой инструмента, удалось разрешить в 1712 г. Появление самоходного суппорта позволило включать вращение детали, а также регулировать ее скорость.

Суппорт перемещался продольно от винта, соединенного с приводом. Для настройки шага подачи служил копировальный палец. Позже суппорт оснастили механической поперечной передачей, что обеспечило возможность одновременно переводить его в ручное управление.

Современный вид станки получили в 1800 г. Агрегаты обеспечивали передачу крутящего момента от привода выполняется посредством ремня. Наличие зубчатых зацеплений делает зависимыми продольные и поперечные подачи от скорости вращения. Более удобным переключение различных режимов обработки на суппорте позволило сделать использование соответствующих рукояток.

Детали из металла

Впервые металлические элементы были установлены на токарном оборудовании императора Максимилиана в 1518 г. Это были элементы вращения, удерживающие заготовку. Двумя столетиями позже благодаря Нартову появилось оборудование, способное нарезать резьбу. В них за передачу крутящего момента отвечали винтовой вал и зубчатые шестерни, при этом детали выполнялись из железа.

На 100% металлическим станок стал в 1751 г. Вокансон считал свое изобретение инструментом, которому не нужен декор. Агрегат имел простой вид, оснащался массивной станиной из чугуна, выдерживал значительные нагрузки.

С подачи французского механика станины стали оснащаться направляющими, обеспечивающими движение задней бабки, а также суппорта. Конструктивные элементы отливались из чугуна, стали. Модели обладали узлами, присутствующими у современных станков.

Сенсоры положения

Изначально функции датчиков положения выполняли копировальные пальцы, перемещающиеся по винту. Благодаря подвижной задней бабке на станке располагались разнокалиберные детали, проводилась обработка широких заготовок по торцевой части.

Появление направляющих, обеспечивающих движение суппорта и задней бабки дополнялось установкой калиброванной линейки, по которой определялось положение резца. Это сыграло важную роль в появлении лимбов. Теперь токарь мог точно определить степень смещения суппорта и держателя резца на полный оборот, а также рассчитать угол поворота ручки при необходимости выполнить смещение на 1 мм.

Виды приводов

За историю существования привод токарного станка менялся несколько раз:

• Ручной/ножной с возвратным вращением.
• Ручной с односторонним вращением.
• Работающий посредством водяного колеса.
• Паровой.
• С использованием электродвигателя.

Разработка электроприводов для ТС велась Р. Дэвидсоном в 30-40х годах XIX века. В 1891 г. был создан асинхронный трехфазный двигатель, но его полноценное использование в токарном деле произошло лишь после революции.

Размеры и масса

Самые первые станки позволяли обрабатывать деталь диаметром не более 20 см и длиной не более 120 см. Установка из дерева весила около 50-100 кг. Простейшие модели настольных токарных станков имеют вес 70-120 кг. Оборудование позволяет обрабатывать металлические детали массой 12-35 кг. 

Вес промышленной техники составляет от 1,2 т – станки обрабатывают металлоконструкции диаметром от 20 см длиной 0,8-3 м.

Имена изобретателей первых токарных станков

История развития токарного дела связана с именами целого ряда выдающихся ученых-изобретателей. Над ним работал Леонардо да Винчи, но по его чертежам не было воплощено в жизнь ни одного устройства. 

Станок с механической опорой для резца увидел свет в 1569 г. Разработчиком стал Ж. Бессон, который применил прототип передней бабки, что обеспечило наличие шестерен для регулировки скорости вращения заготовки. Благодаря ему увидели свет первые модели для нарезки конической/цилиндрической резьбы.

В различное время над изобретением, совершенствованием и модернизированием токарных станков также работали:

• Нартов – механик Петра I, механизировавший процесс нарезки резьбы.
• Супонин, Захава – механики из Тулы, значительно улучшившие конструкцию суппорта.
• Вокансон – создатель прототипа универсальной модели, базирующейся на мощной станине с узлами из металла.
• Рамедон – проектировщик двух разновидностей станков для нарезки резьбы.
• Модсли – создатель универсального агрегата, который позже стал базовой моделью.
• Клемент – расположил спереди ходовой винт, через который протянул фартук.
• Виворт – разработал автоматическую поперечную передачу. 
• Фитч – создатель револьверного станка.
• Випиль, Слоан – изобретатели автоматов для обработки дерева.
• Спенсер – создатель первой универсальной автоматической модели.

Англичанин Модсли улучшил суппорт, сделал процесс нарезки резьбы автоматическим. Он первым поднял тему унификации отдельных элементов. Ему принадлежит идея создания типоразмеров, а также стандартов резьбы.

Эта идея была взята за основу американцами, которые с ее помощью быстро наладили производство стандартизированных деталей, что дало старт конвейерному производство, позволило существенно увеличить производительность труда, сократив необходимость человеческого участия.

Этапы эволюции

На самых первых ТС токарь не мог работать в одиночку, ему мешала необходимость удерживания резца. Поэтому механизм вручную раскручивали помощники. Позднее данный процесс немного механизировали. 

С появлением ножного привода потребность в помощниках отпала сама собой. С появлением в средние века шатуна и педали появилась возможность постоянного вращения вала. Данный принцип лег в основу работы механических швейных машинок, оснащенных ножным приводом.

Далее ТС развивался медленно, пока в XIV веке не получил значительный толчок в виде установки водяного колеса, вращающего привод. Это существенно повысило скорость вращения вала, значительно упростив работу токаря и позволив обрабатывать металлические заготовки. Сам агрегат стал остро зависеть от необходимости модернизации отдельных элементов: резца, способа фиксации детали.

В течение последующих усовершенствований станок получил привычную для нас конструкцию, стали внедрятся стандарты на гайки, болты. Позже появляются револьверный станок, универсальный автоматический агрегат.

В XX веке оборудование претерпело немало изменений, но основной упор был сделан на автоматизацию процесса. Вершиной технологического прогресса на сегодняшний день считаются токарные станки с ЧПУ, обеспечивающие высокую точность обработки и производительность без участия оператора.