Отделение привода от станка; станки с маховиками; введение поддержек и суппортов для резца

Станок с ножным приводом освободил руку токаря, двигающую лучок, но холостое вращение заготовки и связанный с этим отвод и подвод резца остались. Сохранилась также вредная для качества работы и производительности квалифицированного труда токаря затрата тяжелого физического неквалифицированного труда на приведение станка в движение. Кроме того, прерывистость и неплавность движения привода с очепом отражались на качестве изделий. Поэтому следующим после ножного привода крупнейшим преобразованием в конструкции токарного станка явилось отделение привода от станка. Это было сделано на станках, предназначенных для выполнения массовых или сложных работ. Отделение привода можно впервые увидеть на токарном станке, предназначенном для очистки и отделки литой из олова посуды. Этот станок приведен в упоминавшемся выше сборнике гравюр Иоста Аммана. Гравюра представлена на рис. 12. Здесь на станке впервые появляется специальный приемник энергии — шкив. Этот шкив (на гравюре Аммана он не виден) получал энергию с помощью канатной передачи от махового колеса, вращаемого вручную отдельным рабочим (не самим токарем).

Установка приемного шкива знаменует собой начало новой эры в развитии станка. До этого конструкции станка совершенствовалась крайне медленно. С установкой шкива токарь был освобожден от обязательного использования своей силы для приведения станка в движение. Сначала, правда, станок приводил в движение другой человек, представлявший: собой только источник мускульной энергии. Но станок со шкивом давал возможность полного устранения человека как источника энергии и замены его животными, силой падающей воды или ветра.

Широкое распространение артиллерии вызвало массовое изготовление зарядов. В составе заряда имелся круглый деревянный пыж, который изготовлялся на токарном станке. Поэтому токарные станки становится неотъемлемой частью оборудования предприятии, готовившего артиллерийские заряды, например Пушечного двора. Серии однотипных пушек отливались иногда по деревянным точеным моделям. Возможно, что токарями на Пушечном дворе выполнялись и другие работы. Пушечный двор был подведомствен Пушкарскому приказу.

К 1671 г. относятся два весьма важных документа, касающихся токарного дела в Пушкарском приказе. Они являются наиболее старыми из известных русских документов, содержащих сведения о станках, инструментах и токарях. Руководство Пушкарского приказа дало распоряжение двум своим токарным мастерам, Никону Лукьянову и Василию Миленскому, обучить токарному делу десять человек. В связи с этим Лукьянов и Миленский подали «скаску» о количестве «токарных снастей», необходимых для обучения десяти человек. На основании их «скаски» головам И. В. Большому Ларионову, М. Г. Юреневу и Б. Ерусланову было отдано и выдать материалы.

Ниже документы приведены полностью.

Сстав 1

«179, 12 марта [12 марта 1671 года]. По скаске пушкарского приказу токарям Никонке Лукянову да Ваське Миленскому велено научить (неразборчиво) десять человек всякому токарному делу. И к тому учению надобно токарные снасти вновь к десяти станкам: десять крюков железных по настоящему; десять свай железных же; пятеро тиски с гайками и шурупами и с ключами; десять долот желобчатых; долот двадцать прямых; десять напарей проходных; крючков крючных к трубкам; десять трубок, на чем пыжи точат к верховым пушкам; десять резовых пыж железных. [С]насть делать с укладов по на [стоя]щему. [Д]а пуд варовых веревок, десять напарей к трем пудовым и к пудовым гранатом.

Токаришко скаску писал Мишка Петров».

На обороте скрепа:
«К сей скаске Васька Миленский, вместо товарища своего Никона Лукиянова, по его велению, руку приложил».

Сстав 2

«179, марта в 16 день [16 марта 1671 г]. Память головам Ивану Васильеву Большому Ларионову, Митрофану Гаврилову Юреневу да Борису Ерусланову.

«[В]елеть им сделать по скаске токарных мастеров Никона Лукианова да Василия Миленского к токарному делу десять крюков железных, десять сваек железных и ковать с укладом, пятеро тиски с гайками и шурупы и с ключами, десять долот желобчатых, двадцать долот прямых, десять напарей проходных, десять трубок, десять резцов, десять напарей больших да пуд варовых веревок.

Какова память послана с денщиком Матюшкою Петровым».

Эти документы показывают, что токарные работы, исполнявшиеся русскими мастерами, имели широкий размах. Документы прямо предусматривают наличие 13 токарей: 10 учеников, 2 обучающих и токаря, писавшего «скаску». Но можно предполагать, что всего токарей на Пушечном дворе было значительно больше. Документы представляют собой обыденные деловые записи и не отражают никаких чрезвычайных событий, заставляющих более чем вчетверо, с 3 до 13, увеличить число токарей. Очевидно, здесь дело шло об обычном пополнении многочисленного штата токарей. К тому же в первом документе говорится о необходимости изготовления инструментов к уже имеющимся 10 токарным станкам.

Приведенные документы позволяют ознакомиться с русскими терминами, обозначавшими отдельные токарные инструменты и станочные принадлежности, а именно: крюки, долота прямые и желобчатые, трубки, тиски с их принадлежностями (шурупами, гайками и ключами). Определить назначение каждой из перечисленных деталей стало возможным после изучения перевода на русский язык книги Плюмье «Токарное искусство». В этой книге описываются предметы, фигурирующие в документах Пушкарского приказа.

Из сравнения терминов видно, что токарные станки, установленные на Пушечном дворе, по своей конструкции не отличались от западноевропейских. Не отличались также используемые на них инструменты, а следовательно, и технологические процессы обработки.

Режущие инструменты изготовлялись, как отмечено в документах, из «уклада», т. е. стали. Ими были резцы — «крюки», у которых стержень был отогнут, а также «долота», т. е. токарные резцы обычного типа, прямые и желобчатые. К последним относятся также и упоминаемые в документах «трубки». Резцами-сверлами являются большие и малые «надари». Упоминаемые в документах «свайки» представляли собой штыри  с большими шляпками и использовались для закрепления обрабатываемых изделий или в качестве опор для резца. Большой интерес представляют упоминаемые в документах «тиски с гайками и шурупы и с ключами», которые выдавались токарям по одному на два станка. Это были съемные бабки станков, позволявшие точить в подшипниках без центров. Они применялись главным образом для обработки валов и крупных винтов. Требование выдать пуд жестких варовых приводных веревок показывает, что станки приводились в движение уже не самими работавшими на них токарями.

Некоторые дополнительные сведения относительно работы токарей на предприятии, занятом изготовлением артиллерийских орудий и боеприпасов, можно получить из относящегося к более позднему времени «Описания» Геннина. В описании говорится, что на заводе должен быть токарь и ученик.

«Их должность точить пушечные и протчие болваны и модели, и что  сверх того случитца потребное к заводским делам, а сколько чего порознь в год надлежит зделано быть, того описать и исчислить невозможно, ибо не всегда одна какая-либо вещь делается, но разные, когда какие понадобятца, и для того потребные к тому припасы положены по нынешнему расходу».

Геннин предусматривал расходы по токарным работам на березовые бревна, конопляное масло, сыромятные ремни, брусы печорские, рыбий клей и починку железных инструментов.

Таким образом, токари изготовляли пушечные и другие модели и разные поделки, а при заготовках боеприпасов на Пушечном дворе в массовых количествах — пыжи. Кроме инструментов, отмеченных в приведенной выше «скаске», токари должны были иметь конопляное масло для смазки центров, бруски (печорские) для заточки режущих инструментов, рыбий клей для склейки заготовок моделей. Приводные варовые веревки заменены у Геннина сыромятными ремнями, что является шагом в сторону улучшения привода.

О том, что для изготовления ствола орудия требовалось выточить деревянную модель, у Геннина имеется указание в другом месте его труда.«Когда и каковая востребуется вылить пушка, тогда в начале к делу на оные фурмы зделать точеной деревянной болван, длиною и толщиною против данного чертежа и какова велено будет, зделать калибером во всем сходной, токмо оставя у оного концы долее чертежа для положения теми: оставленными излишними местами на станок и для посажения на оныя концы железных крюков, которыми имеет поворачивая быть болван».

В России применение водяного колеса для станков, обрабатывавших орудийные стволы, известно с середины XVII в. (о чем подробно сообщается ниже). Для привода токарных станков энергия падающей воды использовалась также с давних пор. Так, в труде Григория Махотина «Книга мемориальная», относящемся к 70-м годам XVIII в., сообщается, что на Невьянском заводе имелась вододействующая «прежде бывшая токарная фабрика» с установленными в ней пятью токарными станками, на которых прежде «отделывали колокола и медную посуду», а также обтачивали валки прокатных станов.

До настоящего времени еще не имеется сведений о применении силы ветра для приведения в движение токарных станков. Однако такое использование силы ветра в XVIII—XIX вв. вполне возможно, так как известны факты использования энергии ветра не только в мукомольных мельницах. Например, сохранились чертежи лесопильного завода с обычными и дисковыми пилами, который в 1753 г. находился в эксплуатации в Киеве и приводился в движение ветряными крыльями.

Применение колеса, вращаемого отдельными рабочим, лошадью или водой, отмечено в XIX в. как обычное в кустарном токарном производстве деревянной посуды. В заслуживающем доверия труде по кустарным промыслам конца XIX в. говорится по этому вопросу следующее:

«Точат посуду в особо устроенных помещениях, токарнях. Токарни бывают водяные, на которых маховое колесо приводится в движение водою, приводимые лошадьми и ручные. Устройство водяной токарни в сущности то же, что и устройство водяной мельницы, только вода приводит в движение токарный станок посредством махового колеса с бесконечною веревкою. Водяные токарни устраиваются „на два конца", т. е. на каждой токарне могут работать два мастера. Устройство водяной токарни (плотины, сруба, колеса) обходится в 20—30 руб. Устройство конной токарни обходится не дешевле. Ручная токарня представляет собой обыкновенную зимницу (теплая черная изба, в которую зимой пускают скотину) с помещенным в ней маховым колесом. Колесо это за рукоятку приводится в движение одним или двумя людьми, для чего нанимаются так называемые «вертуны» — обыкновенно люди почему-либо неспособные к сложным производствам, но физически сильные (слепые, хромые и т. п.). Ручные токарни много дешевле конных, но встречаются они только у более бедных мастеров или у тех, которые точат мелкие изделия».

В Семеновском кустарно-художественном музее Горьковской обл. экспонирована модель токарной мастерской с конным приводом, воспроизводящая мастерскую середины XIX в. Устройство представляет обычную систему привода с колесами, имеющими цевочное зацепление. Все его части выполнены из древесины. Исключение составляют металлические пята и подпятник. Можно с полной уверенностью считать,что такой же вид токарная мастерская с конным приводом имела в XVII—XVIII вв.

Выше было показано, каким образом осуществлялось устранение холостого обратного хода заготовки при вынесении привода за пределы станка. Теперь рассмотрим второй метод решения той же задачи — введение маховика в конструкцию станка. Назначением маховика было обеспечение вращения заготовки в одну и туже сторону независимо от направления движения приводной веревки. На первых порах, в XVII в., станки с маховиком сохраняли также и деревянную пружину. Но потом, в XVIII в., стало ясно, что при наличии маховика и коленчатого вала, приводимого в действие педалью, очепы не нужны. Правда, соединение педали с коленчатым валом было давно известно и широко использовалось в точильных станках. В них сам инструмент, тяжелый точильный камень, играл роль маховика, а очепа но было. Однако сила традиции была велика, и токарный станок, приводимый в движение самим токарем, без привычного очепа трудно было представить.

Станки с маховиком не освобождали токаря от утомительного труда по приведению в движение станка. Утомление вредно сказывалось на результатах работы — качестве и количестве продукции токаря. Однако поскольку станки с маховиком требовали труда только одного человека, именно самого токаря, то для кустарного промысла в домашних мастерских и позднее, в индивидуальном производстве (например, в заводских инструментальных мастерских и ремонтных цехах), такие станки дожили до конца XIX в. Все же, по указанным выше причинам, создание токарных станков с маховиком в истории металлорежущего оборудования не является частью столбовой дороги их усовершенствования, а лишь одной из боковых троп.

Кроме введения шкива или маховика, токарные станки располагали еще одним ресурсом для улучшения условий труда и повышения качества и количества продукции. Это была устройства для установки резца.Поддержки для резца в виде продольного бруска можно было видеть уже на самых примитивных станках, описанных выше. Постепенно они становились более удобными, подвижными и превратились, наконец, в суппорты. Последние появились в XVII в. как немеханизированные устройства, а в начале XVIII в. уже были механизированы.

Обратимся к рассмотрению фактических материалов. Французский ученый Шерюбен д'Орлеан издал в 1671 г. капитальное сочинение по оптике и изготовлению оптических приборов. Среди различных приборов и инструментов в книге даются изображения и описания двух токарных станков, которые снабжены маховиками.

На специализированном станке Шорюбена, являющемся прообразом лоботокарного (рис. 13), кроме маховика, впервые появился контрпривод К, позволивший изменять скорость вращения обрабатываемой детали d. Последняя закреплялась на шпинделе. Держатель с установленным в нем резцом но направляющей f подводился к детали и закреплялся барашком е.

Другой станок Шерюбена замечателен применением немеханизированного суппорта. На рис. 14 буквой с отмечен корпус суппорта, на котором сверху имелась скоба с барашком, закреплявшим резец в держателе. Установленный таким образом резец мог быть подведен к обрабатываемой детали до контакта с ней. Глубина резания в дальнейшем регулировалась винтом поперечных подач, один конец которого был скреплен с подвижными салазками суппорта, а другой — с основанием. Винт имел рукоятку грушевидной формы, которая в данном случае неудобна.

Станок был специализирован для обработки деталей сравнительно небольшой ширины с помощью широкого резца, перекрывавшего ширину обрабатываемой поверхности. Поэтому перемещение резца вдоль образующей детали цилиндрической формы "в процессе резания не требовалось. Нижние салазки и длинная прорезь в станине позволяли устанавливать суппорт против каждой из четырех деталей, подлежавших обработке. Заметим, что здесь впервые встречается последовательная обработка группы деталей, собранных на одну оправку. Этот прием объединения деталей был широко использован значительно позже, только в середине XIX в.

Позднее, после Шерюбена, станки с немеханизированными суппортами встречаются все чаще и чаще. Поэтому можно по справедливости считать, что на станках Шерюбена они появились, когда потребность в них уже наметилась и начала возрастать. Однако нельзя считать, что суппорты вообще появились впервые на этих станках, так как сохранились известияо суппортах гораздо более раннего времени. Так например, к 1480 г. относится известие о суппорте токарного станка, изображение которого было обнаружено Фельдхаузом в немецкой рукописи  (рис. 15). Резец 1 имел форму заостренной лопатки. Он устанавливался в специально предназначенное для него гнездо 2 и закреплялся винтом с квадратной головкой 3. Резец, закрепленный в резцедержателе, мог быть подведен к обрабатываемой детали с помощью ходового винта поперечных подач 4. Для перемещения резца вдоль обрабатываемой детали были предназначены салазки 5, по которым резцедержатель мог скользить.

Описанная Фельдхаузом попытка применения суппорта токарного станка была весьма ранней, опережавшей потребности и возможности станкостроения. Поэтому ценное изобретение не нашло применения, было забыто и не оказало влияния на дальнейший ход усовершенствования токарного станка.

До наших дней сохранилось очень мало станков XVIII в., не говоря уже о более ранних. В СССР существует большая коллекция токарных станков, принадлежавших Петру I. В других странах сохранились отдельные станки, принадлежавшие королям, вельможам и выдающимся личностям. Все эти станки были предназначены преимущественно для изготовления художественных изделий и безделушек, работа на них служила развлечением для их владельцев. Станки производственного назначения до нас почти не дошли. Поэтому особый интерес представляют два таких токарных. станка, демонстрировавшиеся в 1953 г. на выставке старинных станков в Бирмингаме, организованной бирмингамским Музеем науки и  техники.

Один из них мог обрабатывать детали диаметром до 12 дюймов (≈305 мм) и имел расстояние между центрами 3 фута 6 дюймов (≈1066 мм). Станок приводился в движение с помощью педали, соединенной с маховиком, расположенным внизу станины. Маховик собран из деревянных частей. Для создания достаточной величины махового момента вблизи обода укреплена широкая свинцовая полоса. Маховик служил одновременно большим шкивом, который можно было соединить ременной передачей с малым шкивом, сидящим на валу шпинделя. Как свидетельствует старинная фотография, хранящаяся в Музее, на станке имелось два приводных ремня. Ремни были снабжены пряжками. При застегивании пряжки одного из них и расстегивании пряжки другого получали одну из двух скоростей вращения шпинделя.

Станина станка деревянная, армированная двумя железными полосами, служащими направляющими. Опоры маховика чугунные. Они представляют собой заостренные штыри. Со стороны планшайбы шпиндель поддерживается разрезным чугунным подшипником. Суппорт, не имеющих устройства для механического перемещения, прикрепляется к станине болтом с Т-образной рукояткой, что облегчает его перестановку вдоль направляющих станины. Он может перемещаться вдоль станины и поперек ее благодаря наличию направляющих, расположенных перпендикулярно друг к другу и составляющих часть суппорта. Предполагается, что этот станок принадлежал известному английскому машиностроителю Метью Болтону.

На рис. 16 изображен токарный станок производственного назначения, изготовленный в середине XVIII в. Высота его центров равна 7 дюймам (≈178 мм) и расстояние между центрами 17 дюймам (≈431 мм). Он совсем не имеет деревянных частей и целиком изготовлен из чугуна и железа. Педальный привод с маховиком поддерживают конические штыри. Шпиндель смонтирован в разъемном чугунном подшипнике. Суппорт на станке отсутствует. Он заменен обычной в то время поддержкой для инструмента. Любопытной особенностью станка является то, что он собран как бы из типовых деталей и, видимо, является представителем сравнительно большой серии. Обе стойки его станины отлиты из чугуна по одной модели. Это можно заключить из того, что прилив подшипника, необходимый на левой стойке, имеется также и на правой. Станина отлита из двух одинаковых частей и скреплена со стойками болтами. Литые части станка рассчитаны на то, чтобы обойтись без стержней и формовать все части станка наиболее простым и дешевым способом, в земле и опоке.