CC BY
68
УДК 621.08 ББК К630.014.12 С. Я. Березин, Л. С. Курбатова, В. Н. Леонов
г. Чита, Россия
История изобретений вспомогательной оснастки для резьбонарезных и сборочных операций
Рассмотрена история изобретения патронной оснастки для резьбонарезных и сборочных операций, начиная с изготовления крепежных резьбовых деталей в средневековье. Проанализировано развитие машиностроения в данном направлении в Европе и России. Представлены современные тенденции разработки вспомогательного инструмента.
Ключевые слова: история, разработка, механизм, патрон, крепежная резьба, инструмент, изобретение.
S. Ya. Berezin, L. S. Kurbatova, V. N. Leonov
Chita, Russia
The History of Auxiliary Equipment Inventions for Thread-cutting and Assembly Operations
The history of the invention of modern cartridge for thread-ruled and assembly operations, starting with production of fastening thread parts in the Middle Ages. The development of machine-building in this direction in Europe and Russia is analyzed. The modern temporary trends of the development of a support tool are presented.
Keywords: history, development, mechanism, chuck, fastener thread, tool, invention.
История изобретения и изготовления винтовых нарезок как элементов машин и механизмов уходит в глубину веков. Имеются данные, что резьбы и крепежные детали применялись в предшествующих цивилизациях, о чем свидетельствуют палеонтологические артефакты. На рис. 1 виден фрагмент конического винта, обнаруженного в Китае внутри черного камня размером 8x7 см. Возраст этого винта исчисляется миллионами лет. В нашей цивилизации резьба для механизмов вначале изготавливалась в основном на дереве по предварительной разметке (прессы для давления винограда, подъемные и книгопечатные механизмы и др.).
Крепежные резьбовые детали начали изготавливать только в XV в. при изготовлении часов. Тогда и начали изобретать первые инструменты для получения винтовых нарезок. До этого применялись клиновые и штифтовые соединения. Гений средневековья
Рис.1. Часть резьбовой детали в каменных отложениях Китая
Леонардо да Винчи разработал множество механизмов и устройств, имеющих винтовые нарезки. Он же предложил одну из первых конструкций метчиков для нарезания внутренних резьб
© Березин С. Я., Курбатова Л. С., Леонов В. Н., 2011
39
(рис.2). Как видно, в ней он предусмотрел и элемент удерживания метчика с передачей на него крутящего момента.
С появлением крепежных деталей также возникала необходимость их удерживания при завинчивании. Так стали появляться первые головки, держатели, ключи, солдатики, воротки и прочие изделия. Машиностроение царской России конца XIX - начала XX вв. в значительной степени базировалось на немецких технологиях.
В Европе закупали оборудование, оснастку, материалы и специалистов. С тех пор в техническую терминологию России прочно вошли немецкие названия: штихмас, штангенциркуль, крейц-мейсель, кронштейн, шабер, клупп, нониус и др. Приобреталось также английское и американское оборудование. В развитии машиностроения XVIII-XIX вв. первенствовала Англия. Винторезные станки фирм Г. Модсли, Дж. Клемента, И. Витворта производились серийно и успешно конкурировали на рынке. В Германии достойными соперниками были предприятия Hartmann (1809-1878), Zimmermann в Хемнице, Gazenklewer в Дюссельдорфе. Известными деятелями немецкой металлопромышленности были Ф. Редтенбахер, К. Кармарш, Г. Цейнер, А. Г. Шютте, Ф. Рело, В. Функе и др. В конце XIX в. начали лидировать американцы. Появляются мощные компании American Screw Co, William Marples & Sons, Providans и другие. Изобретатели резьбовой оснастки В. Аншель, Т. Слоан, Г. Виппл, Гарвей и др. успешно патентуют свои изобретения в Европе и Соединенных Штатах [1].
В России того времени успешно действуют иностранные представительства различных фирм, реализующих металлорежущий инструмент и оборудование. Известная фирма Альфреда Г. Шютте предлагала широкий спектр резьбонарезной, вспомогательной, контрольно-измерительной оснастки [2]. На рис. 3а) представлена конструкция жесткого держателя для метчика (справа) и предохранительный патрон для резьбонарезания с фрикционной дисковой муфтой предельного момента (слева). На рис. 3б) показан реверсивный редукторный патрон для метчиков, автоматически переключаемый на обратное вращение при достижении необходимой глубины резания. На рис. 3в) виден выключающийся патрон для плашек, а на рис. 3г) - предохранительный патрон с кулачковой муфтой. Последняя конструкция успешно просуществовала в промышленности почти до 70-х гг. XX в. и на ее основе в 50-х гг. был создан стандарт ГОСТ 2751-51 «Патроны предохранительные».
Исторический путь патронной оснастки начат, очевидно, от слесарного инструмента, который применялся в ручных операциях резьбонарезания и монтажа резьбовых соединений. Ключи, воротки, солдатики и другие приспособления были весьма примитивны, но достаточно надежны в использовании, что не мешало им «дожить» до настоящего времени и с успехом работать в ремонтном производстве (рис. 4) [3]. Многие особенности приводных и удерживающих механизмов этих инструментов можно найти в будущих патронах. С течением времени данная оснастка усложнялась. В ней появлялись дополнительные механизмы, например, зажимные губки, осуществляющие автоматический захват резьбы гаечного конца шпилек и освобождение его после заворачивания и затяжки (рис. 5). На основе такой оснастки в дальнейшем, путем совмещения в едином корпусе разных механизмов, создавались патроны достаточно сложных конструкций. Например, на базе головки, показанной на рис.5, в 50-х гг. прошлого столетия выпускался предохранительный патрон для механизированной сборки шпилечных соединений [4].
С
О
Рис.2. Счетчик с державкой по рисунку Леонардо да Внчи
Рис.3. Патронная оснастка фирмы Альфреда Г. Шютте в России (1911 г.)
После революции и в годы первых пятилеток особых изменений в конструировании патронной оснастки не наблюдалось. Интенсивное строительство промышленных предприятий происходило с привлечением немецких и американских технологий. Переходный период с 1920 по 1928 гг., на который падали последствия первой мировой и гражданской войн, а также период НЭПа, сказался ослаблением производственного потенциала Советской республики. Нарушенный баланс между производством металла (продукция металлургии) и возможностями металлообработки был восстановлен только к 1922-1923 гг. Это сказалось и на производстве метизной продукции (см. журналы «Вестник металлопромышленности». № 10-12. 1923, с. 5-80). Соответственно менялась и потребность в вспомогательной оснастке. Производство инструментов в то время входило в состав промышленной группы «Метиз», которая по сравнению с другими производственными группами тяжелой, металлургической и обрабатывающей промышленности находилось в неплохом экономическом положении, в силу огромной потребности в крепеже, проволоке, гвоздях, мелком инструменте. Тем не менее, основное производство широко использовало достижения зарубежных фирм: Нибердинк, Масс-Индастри, Александер Маттисон, Маффа-Верке, Карл Маар и других.
Такое положение продолжалось до Великой Отечественной войны, после которой страна начала интенсивно восстанавливать народное хозяйство. Это время носило название - период Сталинских пятилеток. Новаторское движение в производстве выдвинуло огромное количество интересных
разработок, в том числе и эффективной вспомогательной оснастки для нарезания резьб и сборки соединений. В это время у патронов появляются механизмы с функциями компенсации погрешностей технологической системы станков, управления высокоскоростной резьбообработкой, точного выключения и другие (см. журналы «Станки и инструмент». № 5. 1948. С. 21; № 1, 1949. С. 25; № 12. 1950. С. 1). Новаторство охватило огромное число машиностроительных предприятий, включая «Ростсельмаш», завод «Фрезер», Ейский станкостроительный и Московский инструментальный заводы, Дмитровский завод фрезерных станков, Ленинградскую «Электросилу» и т.д.
В 60-х гг. в производство начинают интенсивно внедряться автоматы и автоматические линии. Этот процесс потребовал определенных разработок и в области вспомогательной резьбообразующей и сборочной оснастки. Активное использование агрегатных станков требовало определенных подходов к типизации конструкций оснастки по прикрепляемой части (хвостовики), а также по геометрическим параметрам (вылет, межцентровые расстояния, диаметры) и энергетическим возможностям силовых головок. Производству требовались также патроны с автоматической компенсацией погрешностей, патроны для сборки групповых соединений, с автоматическим реверсом, выключающиеся, с устранением подрезания начальных витков резьбы метчиком и другие конструкции. В это время разрабатываются первые нормали и стандарты на предохранительные и компенсирующие патроны различных конструкций: МН 5752-65, МН 1182 - МН 1185 -65, ОСТ 23.5.908-ОСТ 23.5.909-70, ГОСТ 2751-51 и другие.
При нарезании конических резьб возникали ситуации, когда предохранительные патроны, отрегулированные на конкретную величину крутящего момента, не обеспечивали полной длины конической нарезки. Для устранения подобных случаев разрабатывались самовыключающиеся патроны с регулируемыми упорами, касающимися торца детали с нарезаемой резьбой. Внутри патрона, при этом срабатывали либо кулачковые муфты, либо муфты обгона [5]. В эти годы активно развиваются конструкции патронов с различными компенсаторами погрешностей технологической системы станков. Выделяются конструкции осевых компенсаторов, устраняющих различия между подачей станка и шагом резьбы. Они необходимы для устранения погрешностей осевого хода, когда подача резьбообразующего инструмента не совпадает с величиной шага резьбы. При этом рассматривается два случая, когда Б0>Р и Б0<Р (Б0 - величина подачи на один оборот шпинделя). В этих случаях применяются две конструкции осевых компенсаторов (рис. 6) [6].
Осевые компенсаторы применяются также в оснастке, работающей по принципу самозатягива-ния, т. е. со свободным ходом инструментодержателя.
Рис. 6. Схемы осевых компенсаторов
В этом случае инструменту или крепежной детали первоначально передается осевое усилие наживления, а затем они свободным ходом заворачиваются в деталь, вытягивая при этом подвеску из корпуса патрона.
Разрабатываются также патроны с радиальной компенсацией (плавающие) и с разновидностями угловой компенсации, в том числе и самоцентрирующиеся. Последние привели к тому, что были изобретены патроны, у которых эффект центрирования обеспечен изменяемой структурой подвижностей инструментодержателя. Конструкция подобного патрона приведена на рис.7. Цанга 9 служит для закрепления метчика. Плавающий сердечник 6 снабжен наружной резьбой, на которую навинчена зажимная гайка 8. Относительное угловое положение сердечника 6 и цанги 9 зафиксировано штифтом 7. При упоре метчика в край отверстия сердечник 6 приподнимается за счет сжатия пружины 2 и самоустанавливается по оси отверстия путем смещения сердечника относительно корпуса 3 по взаимно перпендикулярным шариковым пазам 4,5. Таким образом, до работы метчика патрон замкнут и представляет жесткую конструкцию. После создания осевой силы сердечник с метчиком получает радиальную и угловую подвижности. В более позднее время такие конструкции получили название «патроны с переменной структурой компенсирующей механики» [7].
Рис. 7. Самоцентрирующийся патрон с цанговым зажимом
В 70-80-х гг. начинают формироваться научные школы, занимающиеся разработкой эффективной сборочной и резьбонарезной вспомогательной оснастки. Наиболее известные разработки велись в Тульском политехническом институте (А. С. Ямников, В. Н. Выбойщик, Е. И. Федин, В. М. Красильников и др.), Объединении «ЗИЛ» (В. Г. Якухин, Н. А. Моисеев, А. Д. Максимов и др.), Московском НИИТАвтопроме (Б. В. Гусаков, Е. И. Прохватилов), Всесоюзном заочном институте текстильной и легкой промышленности (А. М. Гирель, Н. М. Карелин, Е. А. Кобзарь), Тольяттинском политехническом институте (Н. М. Пашко, Б. И. Пикалов), Львовском сельскохозяйственном и политехническом институтах (В. А. Яхимович, И. Я. Кулинич, В. Е. Головащенко и др.), Челябинском политехническом институте (В. В. Матвеев, И. Я. Мирнов, О. А. Анпилогов, Д. Л. Блюменкранц, Л. И. Зайончик и др.). Тогда же профессором В. В. Матвеевым впервые была предложена идея создания патронов с изменяемой кинематикой.
В эти годы наиболее активно проявилась изобретательская работа в области патронной оснастки. Значительное количество изобретений было внедрено в промышленность ввиду их эффективности. Можно отметить небольшой ряд авторских свидетельств на изобретения тех лет: А.с. 299296 /Шаклеин А. А., БИ № 12. 1971 г.; А.с. 366936 / Масиновский Д. А., БИ № 8, 1979 г.; А.с. 418282 / Гущин Ю. В., Застольский Е. Н., БИ № 9, 1974 г.; А.с. 632498 / Канаев В. Ф., БИ №4 2, 1978 г.;
А.с. 639653 / Иванов А. Н., БИ № 48, 1978 г.; А. с. 667337 / Сабинин К. П., Агеев К. И. БИ № 22, 1979 г.; А. с. 700289 / Матвеев В. В., Блюменкранц Д. Л. и др. БИ № 44, 1979 г.; А. с. 780947 / Русаков В. С., Останин Б. Ф. БИ №43, 1980 г.; А. с. 795738 / Леошко Н. П. БИ №2, 1981 г. и другие.
В то же время продолжается работа по стандартизации патронной оснастки. Устанавливается типаж патронов для станков фрезерно-расточной группы в системе вспомогательного инструмента РТМ 2П10-2-84, для станков токарной группы с цилиндрическими хвостовиками по ГОСТ 2490081, для сверлильных станков с конусом Морзе по ТУ 2 035-681-79 и для агрегатных станков с регулируемым цилиндрическим хвостовиком по ГОСТ 26540-85.
Стандартами регламентированы также патроны для метчиков и плашек к токарным станкам (ГОСТ 21938-76), токарно-револьверным станкам (ГОСТ 21941-76, ГОСТ 22627-77), к токарным станкам с ЧПУ (ОСТ 2 У16-2-78), патроны для станков сверлильной группы предохранительные (ГОСТ 8255-86), быстросменные (ГОСТ 14077-83) и для гаечных метчиков (ГОСТ 21827-76).
В автомобильной и станкостроительной промышленности того времени активно использовали разработки и продукцию зарубежных фирм, специализирующихся на производстве вспомогательной оснастки. Это патроны немецких фирм Bilz, КёШ, Shmalkalden, французской «Рено», японской Nikken, американских компаний Kennametal, Titan Tool, и др.
Разнообразие конструктивных исполнений патронной оснастки постоянно расширялось, в том числе и развивались технологические возможности. В патроны начали встраивать различные функциональные устройства: ультразвуковые излучатели, адаптивную механику, пневматику и электронику, системы подвода СОЖ под давлением, вибрационные активаторы и ориентирующие устройства, системы токоподвода для резания с электронагревом и другие элементы. Многообразие требований вело к постоянному усложнению механики инструментальной оснастки и ее удорожанию. К началу 90-х гг. многообразие конструктивно-технологических видов оснастки потребовало определенных мер по их систематизации и упорядочиванию. Первым шагом на данном пути стало создание модульных конструкций, в связи с чем ведущие фирмы приступили к разработке инструментальной оснастки на принципах модульного построения:
1. D’Andrea (Италия). Занимается выпуском моноблочных (MONOD) и балансируемых держателей с высоким уровнем точности и качества исполнения. Одной из последних разработок является Modulhard’andrea - высокоточная модульная система крепления инструмент, обеспечивающая максимальную соосность и жесткость системы при операциях растачивания, фрезерования, сверления и нарезания резьбы, гарантирует точную регулировку положения режущей кромки инструмента при использовании головок Testarossa.
2. Совместное производство фирм Jacobs Chuck (США) и Bilz Co. (Германия) разработало серию патронов модульной конструкции для метчиков, обеспечивающих подачу СОЖ под давлением. Серия включает функциональные блоки с держателями метчиков на разные диаметры. Жесткие и компенсирующие патроны с быстросменными адаптерами под различные хвостовики.
3. Совместное производство фирм Jacobs Chuck (США) и Bilz Co. (Германия) разработало серию патронов модульной конструкции для метчиков, обеспечивающих подачу СОЖ под давлением. Серия включает функциональные блоки с держателями метчиков на разные диаметры. Жесткие и компенсирующие патроны с быстросменными адаптерами под различные хвостовики.
4. Фирма Pumory Ingineering (г. Челябинск) производит модульную шпиндельную оснастку с базовыми хвостовиками и системой адаптеров для сверлильно-фрезерно-расточных станков.
5. Корпорация Bilz выпускает патроны модульной конструкции с корпусом со сменной механикой, позволяющей устанавливать необходимую функцию, например, предохраняющую от перегрузок, осевую компенсацию по шагу резьбы, осевую и угловую подвижности.
6. Компания Nikken (Япония) применяет конструкции патронов со сменными метчикодержа-телями, имеющими встроенные предохранительные муфты.
Следующим шагом была разработка систем классификации вспомогательной оснастки, которая позволяет решить следующие задачи:
- обеспечить единство информационного сопровождения резьбонарезных и сборочных патронов на всех стадиях жизненного цикла от научного обоснования до вывода их из эксплуатации;
- сформировать унифицированный язык описания данной оснастки как объекта проектирования;
- повысить эффективность создания и изготовления патронов, улучшить их качество и конкурентоспособность.
Также важным условием эффективности применения классификатора вспомогательной оснастки для операций резьбонарезания и сборки резьбовых соединений является сохранение единства его применения и преемственность на всех стадиях производства. Попытками создания подобной системы занимались В. В. Матвеев, Н. М. Пашко, В. Г. Якухин и др.
В. Г. Якухин предлагал основываться на функциональном назначении патронов, разделяя их на жесткие, с осевой компенсацией, с радиальной компенсацией, быстросменные, с лимитированным крутящим моментом, интенсифицирующие, самореверсивные, проходные для гаечных метчиков.
Современные патроны, как правило, выполняют не одну, а несколько простых функций, необходимых для производства, и представляют собой многоцелевую или сложнофункциональную кон-
струкцию. Поэтому авторами данной статьи был разработан более подробный классификатор, охватывающий все известные признаки. Морфологические свойства классификатора позволяют синтезировать новые конструкции патронной оснастки с необходимыми показателями [7].
Развитие вспомогательной оснастки продолжается. Ведущие инструментальные предприятия России и зарубежные компании предлагают массу интересных конструкций под различные условия обработки и сборки. Однако, существует и немало проблем, которые необходимо решать с постоянно усложняющимися факторами производства. Знание истории развития этого вида техники может облегчить данную задачу и найти более оптимальные пути ее решения.
Список литературы
1. Альфред Г. Шютте: Инструменты. Каталог фирмы А. Г. Шютте и Э. Краузе. СПб.; Магдебург: Изд-во А.Вольфельда, 1914. 462 с.
2. Березин С. Я. , Курбатова Л. С. Классификация резьбонарезных па-тронов по конструктивным и технологическим признакам // Сборка в машиностроении, приборостроении. № 10,
2005. С. 16-19.
3. Загурский В. И. Прогрессивные способы обработки резьбы. Москва-Свердловск: Машгиз,
1960. 165 с.
4. Корона А. Б. Патрон для ввинчивания шпилек // Станки и инструмент. № 7, 1950.
С. 29-30.
5. Маликов Ф. П. Патроны для режущих инструментов: Краткий справочник. Москва-Свердловск: Машгиз, 1963. 104 с.
6. Машиностроение: Энциклопедический справочник в 15-ти т. Т. 5.Технология производства машин / под ред. акад. Е. А. Чудакова. М.: ГНТИ машиностроит. лит-ры, 1947. 568 с.
7. Промышленность и техника: Энциклопедия промышленных знаний: в 11-ти т. Т. VI. Технология металлов. СПб.: Товарищество «Просвящение», 1901. 456 с.
Рукопись поступила в редакцию 14 июня 2011 г.
