История и современное состояние станкостроения

Думаете, привычный нам станок - это изобретение последних двух-трех столетий? Вовсе нет. История станкостроения длительная и очень интересная. Как развивалось мировое станкостроение? Проследим путь от первых станков Древнего Египта до технологий «Индустрии 4.0».

Первые станки: от Древнего Египта до Древней Греции

При раскопках в Древнем Египте археологи находили свёрла, производство которых можно отнести к 2500 году до новой эры и даже раньше. Их использовали при строительстве пирамид и саркофагов, в частности для обработки гранита - необычайно твердого материала. Предполагаемые материалы для сверл - корунд и алмаз, хотя единого мнения у ученых по этому поводу нет до сих пор. Для менее прочных «деталей» брали медь и железо, хорошо известные человеку с бронзового и, соответственно, железного века.

Исследование обнаруженных на реке Чусовой в Пермском крае биконических костяных стрел эпохи неолита (то есть 7300-7500 лет назад) показало, что они были изготовлены не только вручную, но и с применением оборудования - доисторического токарного станка с лучковым приводом. Всё то же самое, как в Египте, только на несколько тысяч лет раньше!

Исключения в истории были: самый первый станок археологи нашли в Египте - на древнеегипетских барельефах, датированных примерно 1300 годом до н.э., были изображены простейшие приспособления для вращения. Называются они лучковыми, потому что обрабатываемую деталь приводили в движение инструментом наподобие лука: изогнутым куском дерева с натянутой тетивой.

От Древнего Египта история станкостроения плавно шагнула к Древней Греции. В 650 году до новой эры здесь уже вовсю использовались предшественники современных токарных станков. Принцип их действия поначалу был максимально прост: один человек вращал заготовку, второй - держал резец и прижимал в нужном месте. К 400 году до нашей эры греки и римляне уже начали обтачивать металлы для украшений на станке с ножным приводом.

На рисунке греческого мастера Феодора (VI в до н. э) момент работы за токарным станком. Это тоже токарный станок. В петлю - аналог педали - мастер вставлял ногу.

ЛУчковый станок постепенно избавлялся от своих минусов. Сначала безымянный инженер придумал вращать деталь ногами, чтобы освободить руки. Такие станки уже были в Древнем Риме. Затем Феодор Самосский - древнегреческий мастер VI-V века до н.э. - добавил к станку кривошип и маховик.

Средние века и эпоха Возрождения

К XIV-XV вв. Конструктивный принцип создания станков на протяжении веков не менялся. И все они были маломощными. Ногой работал мастер или запрягал тягловое животное - были в истории и такие примеры, - всё равно обрабатывать металл таким образом на деревянном станке слишком сложно. Интересно, что живший в XV-XVI веке гениальный Леонардо да Винчи в теории описал принцип фрезерования. Похожий принцип был применен - разово - в XVII веке в Китае для изготовления детали большого телескопа.

Промышленная революция и развитие станкостроения

Всё изменила первая промышленная революция. Последующие - их было три - тоже внесли свой вклад в развитие отрасли. В XVIII веке в прогрессивных странах мира началась трансформация самой модели общества: от аграрной к индустриальной. Станки, в том числе для металлообработки, стали активно внедряться в производство, и их конструктивные особенности совершенствовались гораздо быстрее. Станки уже не выглядели как лук с напильником, для их запуска не требовалось впрягать животных. К этому времени в производство активно внедрили паровую машину, обеспечивающая бесперебойную работу механизмов.

Изобретение паровой машины стало ключевым моментом в истории станкостроения. Одним из первых примеров применения паровой тяги в станках можно считать разработку в 1781 году Джеймсом Уаттом и его партнером Мэттью Болтоном вращательного парового двигателя, который обеспечивал непрерывное и стабильное движение для промышленных машин. Паровые двигатели стали основой для многих промышленных станков, от токарных до фрезерных и шлифовальных. Подобные машины открыли возможности для массового производства деталей, унифицированных по стандартам, что было невозможно в условиях ручной работы.

Массово токарные станки стали применять в том же XVIII веке, а фрезерные - в первой половине века XIX. Если раньше на трансформацию станка уходили века, то теперь - десятилетия. К примеру, довольно быстро вошел в обиход фрезерный аппарат для создания в металле канавок и альтернативы ручного строгания. К нему - системы охлаждения, удобные схемы запуска и выключения и т. д.

Еще дальше продвинул станкостроение Генри Модсли. Он разработал направляющую, позволяющую двигать резец с высокой точностью и равномерностью.

Это интересно. Скорейшему появлению и внедрению производственных новшеств способствовали военные нужды. Так, в начале XIX столетия американскому инженеру-изобретателю и промышленнику Элли Уитни поступил заказ на изготовление 10 тысяч ружей. Детали обрабатывались фрезой. Даже с учетом того, что Уитни работал не вручную, времени требовалось много. Пришлось Уитни модернизировать оборудование под массовое производство. Зато следующий заказ он получил уже на 15 тысяч станков.

К середине-концу XIX века станки уже выпускались в промышленных масштабах специализированными фирмами. Некоторые работают до сих пор. Например, швейцарский бренд TORNOS существует с 1880 года.

Ранние разработки электродвигателей можно отнести к работам таких инженеров, как русско-прусский ученый Б.С. Якоби, который в 1830-х годах создал один из первых электродвигателей постоянного тока. Применение электрических приводов на станках стало значительным шагом вперед. Они обеспечивали точное и стабильное управление, что сделало возможным повышение производительности и улучшение качества обработки материалов.

Эпоха ЧПУ

Мы, конечно, весьма бегло прошлись по столь длительной истории станкостроения древних и средних веков. Всё, что накапливалось столетиями, в XX и тем более в XXI веке получило стремительное развитие. И отдельную страницу в историю вписали станки с ЧПУ. Несмотря на то, что сменяемые программы, записанные на перфокартах двоичным кодом, использовались еще в ткацком оборудовании начала XIX века, один из первых фрезерных станков с ЧПУ Cincinnati Milacron Hydrotel продемонстрировали широкой публике только в 1952 году в Америке. Сделал это Ричард Кегг совместно с Массачусетским технологическим институтом. К тому времени уже появились ЭВМ, работающие на перфокартах с перфолентами, на которые записывались программы.

Когда в середине XX века возникла потребность в производстве сложных и точных деталей, особенно для авиационной промышленности, началась история станков с числовым программным управлением (ЧПУ). Первый шаг был сделан в конце 1940-х годов, когда инженеры США при поддержке ВВС начали работать над автоматизацией механических станков. В 1950-е годы американец Джон Парсонс разработал систему для управления станком с помощью перфокарт. Тогда же в Массачусетском технологическом институте был разработан первый прототип станка с ЧПУ, где в качестве носителя данных использовалась перфолента. Этот станок мог автоматически выполнять задачи по сложной траектории, а его работа контролировалась компьютером.

В станках стали использовать числовое управление, но они были лишь прототипом современного оборудования с числовым программным управлением. Забавно, но поначалу люди не доверяли ЭВМ (почти как мы сегодня опасаемся возможностей искусственного интеллекта), поэтому массовое внедрение станков с ЧПУ происходило медленно.

Система привода, командная функция и система обратной связи - три кита, на которых построены технологии ЧПУ.

К концу 1950-х годов первые ЧПУ-станки начали применяться на предприятиях, но оставались сложными в эксплуатации и крайне дорогими. Развитие электроники в 1960-1970-х годах позволило сделать ЧПУ-станки более компактными, надежными и экономичными. Одним из ключевых достижений стало внедрение интегральных микросхем, что упростило управление и уменьшило стоимость оборудования. Следующий крупный прорыв произошел в 1980-х годах, когда на смену перфолентам пришли цифровые носители информации и появились первые компьютеризированные системы с ЧПУ. Это позволило операторам загружать программы с дискет и компьютеров, а также более эффективно программировать станки для сложных задач. В 1990-е и 2000-е годы технологии ЧПУ продолжили развиваться, что привело к появлению высокоточных многозадачных обрабатывающих центров, способных выполнять операции с минимальным участием человека.

Пользователи первых паровых машин не могли себе даже представить современные станки, способные выполнять множество операций с высочайшей точностью.

Современное состояние станкостроения в России

Если вести речь о привычных нам металлорежущих станках, в первую очередь стоит вспомнить Англию, а затем другие страны Европы, подхватившие и развившие технологии металлообработки. Не будем преуменьшать вклад в развитие станкостроения Америки. Выбор потребителей говорит, что продукция китайских компаний становится хорошей альтернативой западным производителям.

Современное станкостроение в России

Так, НПО «Станкостроение» в Стерлитамаке (Башкортостан) выпускает широкую линейку фрезерных пятикоординатных станков, удовлетворяющую все потребности общего машиностроения. В частности, новейший фрезерный станок 1000VBFL используется для производства турбинных лопаток авиадвигателей на Наро-Фоминском машиностроительном заводе.

Коломенский завод «Станкотех» специализируется на изготовлении уникального сверхтяжелого и специального оборудования. Например, недавно здесь создали пресс-гигант весом порядка 600 тонн для формовки объемных авиационных деталей. В октябре этого года в Коломне началось производство новых портальных центров с ЧПУ модели СК6П200. На этих станках, позволяющих работать с деталями длиной до 24 метров, будут создаваться крылья российских самолетов.

Ивановский станкостроительный завод специализируется на производстве горизонтально-расточных станков. Эти станки нужны для высокоточной обработки крупногабаритных деталей. Они имеют поворотный стол и подвижный шпиндель для обработки отверстий либо поверхностей с высокой точностью. Все комплектующие для станков также производятся в России.

На Рязанском Станкозаводе организовано производство токарных станков и многофункциональных обрабатывающих центров с ЧПУ. Такая компетенция есть еще всего у нескольких предприятий в мире. Московская площадка холдинга «СТАН» − единственный в стране производитель современных станков для глубинного шлифования. Станок СТШ ЭКО, например, применяется для заточки лезвий.

Если холдинг «СТАН» занимается специальными агрегатами для машиностроения, то за более универсальные станки, нужные в том числе для производства стрелкового оружия, отвечает концерн «Калашников». В последние годы здесь активно развивается собственное производство станков. Среди ключевых продуктов концерна - универсальные высокоточные станки серии 250ИТВМ. Они применяются для токарных работ на любых производствах, связанных с обработкой металлических деталей. Поставки линейки ведутся в десятки компаний России и Белоруссии.

В период становления отечественного станкостроения в 30-х годах решалась задача создания станков различных технологических групп с позиции максимально возможного удовлетворения потребности различных отраслей народного хозяйства страны. В основном это были сравнительно простые станки универсального назначения с ручным управлением (РУ).

Военный (1941-1945 г.) и послевоенный периоды, вплоть до 60-х годов, характеризовался более организованным выпуском металлорежущего оборудования, поскольку правительством страны была поставлена цель значительного выпуска продукции оборонного назначения и восстановления народного хозяйства страны после войны. Для этих целей создавались станки высокопроизводительные и сравнительно недорогие, поскольку они изготавливались на основе унифицированных узлов и агрегатов.

Качественно новые свойства МРС приобрели в сочетании с системами числового программного управления (ЧПУ). Существенно расширились технологические возможности таких станков, появились предпосылки оперативного вмешательства в процесс механической обработки деталей и обеспечения наиболее рациональной организации труда в целом.

На протяжении многих лет в России был проведен целый комплекс работ, связанных с решением задач по созданию высокопроизводительных и прецизионных МРС. Проблема обеспечения точности обработки в пределах нескольких микрон достигалась применением узлов, деталей и элементов точных и особо точных исполнений.

В результате указанных выше и других работ, которые проводились в стране, появилась возможность изготовлять координатно-расточные и круглошлифовальные станки, позволяющие обрабатывать цилиндрические поверхности с отклонением от круглости в пределах двух-трех десятко микрометра и шероховатостью менее одной десятой.

Для обработки сложных деталей стали использоваться МРС с ЧПУ с устройствами автоматической смены инструмента (АСИ) и заготовки (АСЗ), получившими название многоцелевых станков (МЦС). МЦС явились дальнейшим развитием сверлильных, фрезерных, расточных и токарных станков. МЦС освободил рабочего, как от силовых, так и от большинства логических функций. В этом отношении МЦС не просто автоматизированный вариант своих предшественников, а качественно новый станок, позволяющий организовать малолюдную технологию обработки заготовок. Автоматизация этих функций предопределила и качественно новые технологические возможности этих станков. Главным образом, эти возможности выражаются в преобразование практически неограниченного объема информации об обработке заготовки в рабочий процесс без участия человека.

Тенденции развития станкостроения

Мы в «Матрице»? Тренд последних лет - применение искусственного интеллекта в управлении станками и производством. Как и несколько веков назад, вновь меняются методы производства и принципы выполнения работы. Как это отразилась на станках? Человеческий фактор сводится к минимуму. Роботизированные программы эффективнее живых сотрудников, работают без перебоев, полностью безошибочно, проводят аналитику больших массивов данных. Теоретически предприятия могут работать полностью автономно.

Станкам, в том числе - для обработки металла, несколько тысяч лет. Удивительное дело, но по сути своей они не сильно менялись. Только совершенствовались. Главные трансформации - впереди. Эпоха «Индустрии 4.0» с повсеместным внедрением искусственного интеллекта, скорее всего, изменит отрасли производства, оборудование и особенности работы на нем до неузнаваемости. Как это будет?

Станки, незаменимые устройства на любом промышленном производстве, за сотни лет изменились кардинально. Но суть их остается прежней - помогать людям создавать новое и улучшать жизнь.

Вклад ученых в развитие станкостроения

Становление станкостроения заложено в трудах академика Дикушина В.И., проф. Ачеркана Н.С., проф. Владзиевского А.П., проф. Решетова Д.Н., проф. Грановского Г.И., проф. Головина Г.М., проф. Богословского Б.Л. и целого ряда технологов, конструкторов, экономистов, рабочих. Дальнейшее конструктивное совершенствование МРС и повышение требований к их эксплуатационным свойствам привело к созданию новых теоре-тических направлений и школ, которые были изложены в трудах профессоров Пуша В.Э., Кудинова В.А., Проникова А.С., Бушуева В.В., Каминской В.В.. Левиной З.М., Хомякова В.С., Аверьянова О.И.

Классификация станков

В настоящее время серийное производство станков в России составляет до 75-80% действующих производственных мощностей. Основную долю станочного парка в серийном производстве составляют универсальные МРС с РУ, которые, согласно классификации, разработанной еще в 30-х годах академиком Дикушиным В.И., делятся по технологическому признаку на токарные, фрезерные, зубообрабатывающие, шлифовальные и другие станки. Всего таких признаков этой классификации девять.

Большое внимание в отрасли уделялось использованию в машиностроении при обработке труднообрабатываемых материалов высокоэнергетическими и комбинированными концентрированными потоками энергии. С этой целью в технологии машиностроения широко применялись отечественные станки, основанные на использовании концентрированных потоков энергии различной физической природы, Электронные и ионные пучки, световое (лазерное) излучение, плазменные струи и дуги, электродуговые, микродуговые и электроимпульсные воздействия являются универсальным технологическим инструментом для обработки труднообрабатываемых деталей.

Тип станка	Описание	Применение
Токарные	Станки для обработки вращающихся деталей	Изготовление валов, осей, втулок
Фрезерные	Станки для обработки плоских и фасонных поверхностей	Создание пресс-форм, штампов, корпусных деталей
Шлифовальные	Станки для финишной обработки деталей	Достижение высокой точности и гладкости поверхности
Расточные	Станки для обработки отверстий	Изготовление отверстий точного диаметра и формы
Зубообрабатывающие	Станки для нарезания зубьев на шестернях	Производство зубчатых передач