Мощный шагающий экскаватор на выемке грунта и руды в открытом карьере заменяет до 15 тыс. землекопов с лопатами. Этот экскаватор со 100-метровой стрелой располагает моторами, мощности которых достаточно для снабжения электроэнергией небольшого города.
Древнейший токарный станок никакого сходства между экскаватором, казалось бы, не имеет. И все же разве не один у них источник — творчество их создателей? Большим напряжением ума, воли и творец простейшего станка, и конструктор сложнейшего экскаватора должны были создать в своем воображении образ будущего творения. Недаром говорится, что архитектор отличается от самой лучшей пчелы тем, что он строит дважды: сначала в голове, а потом из материала. И как бы далеки друг от друга во времени ни были изобретения, от седой старины до наших дней эта черта творчества остается для них общей.
Древний изобретатель, осуществляя задуманное, сам мастерил, методом проб и ошибок он добивался своей цели. Чтобы построить экскаватор или любую другую машину в наше время, каждый из многочисленных участников производства должен знать, чего именно от него ожидают. Ведь на одних станках обтачивают вал, на других делают втулки, на третьих шестерни. Часть деталей делают на других заводах. На одном заводе изготовляют пушки, на другом — снаряды. Нужно позаботиться о том, чтобы втулки и колеса можно было правильно соединить с валом и чтобы снаряды подошли к каналу ствола пушки.
С тех пор как новое изделие задумывают одни люди, а изготовляют другие, потребовалось создать общий язык, одинаково понятный всем занимающимся техникой. Таким общим языком стал чертеж, и как не сразу сложилось современное производство, так постепенно развивался чертеж.
Зарождение чертежа
Пушки ковали и отливали на Руси начиная с XIV или XV века. Перед нами изображен сделанный, видимо, в XVI веке ствол пушки. Изображение мало отличается от рисунка, но линии проведены по линейке и циркулем, есть надпись о длине ствола. Отверстие не указано, оно, вероятно, было известно мастеру из опыта и переговоров с представителями армии.
В XVIII веке талантливый мастер и изобретатель А. К. Нартов (он заведовал личной мастерской Петра I, позднее изготовлял приборы для научных работ М. В. Ломоносова) создал оригинальные токарно-копировальные станки. В них впервые в мировой практике Нартов применил самоходный суппорт, обеспечивающий геометрическую правильность поверхности обработанной детали.
Долгое время считалось, что такой суппорт изобрел англичанин Мадслей в 90-х годах XVIII века, но в наше время стало известно, что А. К. Нартов изобрел его значительно раньше.
Станки Нартова сохранились, их можно увидеть в Эрмитаже в Ленинграде. Чертежи станков, к сожалению, пока не найдены. Известно, однако, что они были; установлено, что Нартов посылал их на Оренбургский, Московский, Тульский заводы, где строили его станки.
Сохранились чертежи И. И. Ползунова. Он изобрел паровую машину и построил ее в 1763 году. К чертежу проставлен масштаб, дан разрез цилиндрой (имеется и вид сбоку — вторая проекция), условно обозначены материалы (кирпич, древесина и др.). Чтобы устройство машины было понятно, потребовалось показать отдельно наиболее сложные ее узлы и детали.
В то далекое время машины изготовлялись единицами и кустарными способами. Поэтому на чертежах нет указаний о необходимой точности изготовления деталей, нет технических требований, которым должны удовлетворять те или иные части изделия. Как практически передавали создатели машин свои замыслы мастерам для осуществления? По свидетельствам очевидцев, еще в конце прошлого века большинство чертежей новой машины рисовали мелом на полу мастерской или палкой на земляном полу кузницы, и очень часто устные объяснения имели большее значение, чем чертеж.
Чертеж нужен веем, но какой?
В конце минувшего века и начале нынешнего, когда уже действовало немало крупных предприятий и особенно когда возникли заводы массового производства автомобилей, оружия и др., роль чертежа неизменно возрастает и количественно и качественно.
Детали для разных изделий стали изготовлять на разных станках и участках, и способ, которым изображал части своей машины Ползунов, уже не годился. Нужно было дать в руки мастера и рабочего чертежи для каждой детали. Нередко приходилось словами пояснять технологические требования и допустимые отклонения размеров (допуски).
В настоящее время чертеж стал общим языком для всех машиностроителей, так же как формулы состава и реакции веществ — для химиков, обозначения величин и действия с ними — для математиков, ноты — для музыкантов.
Правила оформления чертежей постепенно совершенствовались. Показаны различные обозначения резьбы, которые менялись по мере развития чертежа. В 1968 году были утверждены новые правила оформления чертежей и закреплены в серии государственных стандартов — «Единая система конструкторской документации».
Усложнение изделий, рост производства и предприятий привели к дальнейшему разделению труда. От самого производства отделили работы по его технической подготовке. Появились так называемые технические отделы, которые впоследствии разделили на конструкторский и технологический отделы, каждый из них — еще на подразделения, лаборатории, экспериментальные и инструментальные цехи и т. д.
Как же создается образ будущей машины?
Рассмотрим такой пример. Для постройки дорог нужно много щебня, дробленого камня. Как его дробить? Конструктор решает раздавливать между двумя стальными плитами — «щеками»: одна будет неподвижной, другая качаться; между ними забрасывать крупные камни.
Машина будет работать по кинематической схеме. Подсчитав силы, действующие при раздавливании камня, конструктор заменил затем элементы схемы деталями. Так создается эскиз рабочей части камнедробилки. При разработке проекта всей установки добавляют электромотор с редуктором для качания шатуна, бункеры для загрузки дробилки крупным камнем сверху и приема щебня снизу и все остальное.
Покажем теперь основные этапы создания новой машины. Например, заводу предлагают разработать полуавтомат для обработки шестерен и фланцев определенных размеров и задают его производительность.
Изучив по каталогам и имеющимся образцам подобные станки, конструктор намечает создать вертикальный шестишпиндельный станок и делает его наброски. С помощью экономистов он определяет ориентировочно, сколько будет стоить и насколько выгоден будет такой станок для заводов-потребителей.
«Хорошо, — говорят конструктору заказчики, — это нам подходит». Утверждается техническое задание на проектирование новой машины, и конструкторское бюро приступает к эскизному проекту.
Нужно решить первый вопрос: как приводить в движение все части машины? Ответ ищут построением кинематической схемы станка. Все элементы передач и опоры (подшипники) даны условными обозначениями; ведь это только схема, она показывает, что движение с нужными скоростями будет передано всем движущимся частям станка.
Кинематическая схема позволяет перейти к решению следующего вопроса: какие реальные детали воспримут и передадут задуманные движения и перемещения разных частей новой машины? И вот конструкторы разрабатывают чертежи станка. Это пока конструктивные чертежи, которые являются эскизным проектом машины. Но на этом проектные работы еще не заканчиваются.
Чтобы получить полный технический проект, нужно разработать чертежи агрегатов и узлов, входящих в станок, а для этого просчитать, достаточно ли прочны и надежны будут все узлы и ответственные детали. Для проверки наиболее сложных и новых механизмов может потребоваться изготовление опытных образцов, макетов и их испытания. Иначе говоря, скомпоновав весь станок, мы начинаем «разнимать» его на части, проверяя при этом как отдельные узлы, так и точность их соединений.
После того как рассчитаны все части станка и дана их полная увязка в чертежах, можно составить уточненный перечень (спецификацию) всех узлов и механизмов (первый раз перечень был составлен для эскизного проекта) и выделить в нем, что следует проектировать заново, а что использовать из тех узлов и механизмов, которые применялись в других машинах.
Техническое проектирование на этом не заканчивается. Необходимо привлечь к нему еще других специалистов. Во-первых, нужны опытные технологи: они проверят, нельзя ли, не ухудшая качества нового станка, изменить его детали и узлы так, чтобы изготовление и сборка станка стали проще и дешевле. Нужно еще раз вместе с конструкторами продумать будущий ремонт, чтобы с наименьшими затратами времени и сил производить замену частей станка, которые чаще выходят из строя. Опыт показывает, что таких мест в новой машине бывает немало.
Во-вторых, большое значение имеет техническая эстетика будущего станка. Художники-дизайнеры в сотрудничестве с конструкторами сосредоточивают внимание на красоте изделия, удобстве и безопасности его эксплуатации. Эти качества станка облегчают труд человека и делают его более производительным. Чтобы пояснить сказанное, приведем пример конструкции строгального станка устаревшей марки. Присмотревшись к рисунку, можно обнаружить ошибку конструктора, который не позаботился в свое время об удобстве расположения органов управления станком.
Наша промышленность, особенно машиностроительная, из года в год увеличивает экспорт своей продукции за границу. Если конструктор использовал какой-либо механизм, часть передачи или системы регулирования и управления и т. п. из числа тех, на которые иностранная фирма (изобретатель) получила патент, то это усложнит продажу нашей машины за рубежом, особенно в капиталистических странах. Нас могут заставить купить лицензию или уплатить штраф. Лицензии приобретают и на новую технологию; так, с 1962 года мы продали в США в два раза больше лицензий на технологические процессы, чем купили у них.
Иногда происходит и обратное: новую, оригинальную конструкцию машины или ее части, изобретенную и созданную в нашей стране, иностранные фирмы могут использовать без лицензии — договора с нашей внешнеторговой организацией (и соответствующей оплаты), если советские изобретатели и институты или заводы не получат патент и не оформят его за границей. Поэтому все крупные заводы, проектные и другие организации имеют теперь у себя патентные бюро; их специалисты помогают конструкторам следить за «патентной чистотой» проектируемых машин, станков и приспособлений.
Только теперь технический проект станка или другой новой машины, прибора, аппарата закончен. Разработанной документации обычно достаточно, чтобы изготовить опытные образцы; их сборка и испытание покажут, насколько удачно разработана конструкция и где допущены ошибки, требующие исправления. Можно ли по этим чертежам начать выпуск изделия в большом количестве — серийным или тем более массовым порядком? Нет, пока нельзя. Опытные образцы обходятся очень дорого. Для серийного или массового выпуска изделия необходима четко налаженная технология производства, должны быть разработаны рабочие чертежи на все детали и узлы, из которых состоит станок или машина.
О рабочем чертеже
Для изготовления первых образцов изделия можно пользоваться чертежами технического проекта, потому что обработку деталей ведут на универсальных станках рабочие с большим опытом и высокой квалификации; здесь много ручных работ, недостаточно точно обработанные детали доводят и подгоняют при сборке. Но когда выпускают сотни одинаковых машин, так работать нельзя. Нужно отказаться от дорогих операций ремесленного характера — разметки и подгонки деталей при сборке изделия. Необходимо обеспечить такую технологию серийного или массового производства, чтобы получить взаимозаменяемость многих деталей, относительно дешевые способы их изготовления и заранее до мелочей продумать порядок сборки выпускаемых машин или станков.
Детали, которые называют точными, нельзя изготовлять из грубых отливок или поковок, и не только из-за того, что приходится сдирать много стружки (в лишних припусках на обработку теряется нередко от трети до половины металла). Грубую, с большими отклонениями от заданных размеров заготовку невозможно правильно закрепить в приспособлении станка для соответствующей обработки. А без приспособлений трудно получить достаточно точные поверхности деталей, и уж, конечно, нельзя добиться высокой производительности труда.
Технологи, разрабатывающие процессы изготовления всех деталей, только из чертежа могут узнать, какие для деталей необходимы материалы и размеры заготовок, нужна ли закалка, какая точность должна быть выдержана при обработке и сборке и т. д. Эти чертежи, по которым изготовляют серийным или массовым способами различные детали, называются рабочими чертежами. Они создаются еще в стадии рабочего проектирования на основе чертежей технического проекта. Выпуском рабочих чертежей занимается, как правило, отдельная группа конструкторского отдела. Но перед тем как такие чертежи попадают в цех, они проходят стандартизационный контроль.
Стандартизация — это выгодно
Использование стандартов ускоряет проектирование на 30—40%, удешевляет производство и, что особенно важно, повышает качество продукции, так как в стандарты включают только лучшие, проверенные образцы и требования к ним.
Но дело в том, что каждый ГОСТ на допуски, резьбовые соединения, сортамент сталей и др. содержит большое количество размеров, типов и тому подобное; ведь государственные стандарты распространяются на все заводы, все отрасли народного хозяйства. Нужно ли каждому заводу такое разнообразие стандартов? Не только не нужно, но даже вредно. Вспомним, например, что для резьбы каждого вида, размера и класса точности нужен свой набор довольно сложных и дорогих режущих и измерительных инструментов.
Различные стандарты относятся и ко многим другим элементам конструкций, например: диаметрам отверстий, допускам и посадкам, применяемым для разных деталей и их соединений.
В наше время на заводе работают десятки, а кое-где и сотни конструкторов; каждый из них может выбрать из действующих ГОСТов любой типоразмер, что создаст чрезвычайные трудности и в снабжении, и в инструментальном хозяйстве, и в основных цехах завода.
Выход из этого затруднительного положения находят в следующем. Завод сам ограничивает для себя разнообразие типоразмеров, принимая только те из них, которые необходимы и достаточны для выпускаемых машин. Действует заводской «ограничительный стандарт», обязательный для конструкторов и других работников данного предприятия. Ограничительные стандарты устанавливают нередко для целой группы заводов (отрасли), выпускающей однородные машины.
Проверкой использования ограничительных стандартов занимаются опытные конструкторы, специализирующиеся на этой работе. Кроме того, они проверяют, нет ли в комплекте рабочих чертежей таких, которые повторяют детали или узлы уже выпускавшихся ранее машин. Нет надобности налаживать их производство. Проще и рентабельнее по преемственности использовать готовые чертежи. Такой контроль приносит заводу большую экономию средств.
После всех исправлений, а если нужно, то и дополнительных испытаний изделий, комплект рабочих чертежей передают в производство.
Еще раз о рабочем чертеже
Каждый вид чертежа — от общей схемы действия основных механизмов до рабочих чертежей для серийного производства — отвечает определенной стадии разработки конструкции. К чертежам прилагаются такие документы. Как спецификация с перечислением всех частей машины (отдельно покупных), технические условия с указанием Требований к машине при ее эксплуатации и методов контроля ее качества. Прилагают и монтажные чертежи, показывающие, как собрать и установить машину на месте применения.
Рабочие чертежи необходимы, но их недостаточно для производства. Сразу же возникает вопрос: из чего и как изготовлять детали? Если в чертеже написано, что материал — чугун, то это будет отливка; для нее нужна модель (часто модельный комплект), а для изготовления Додели — один или несколько новых чертежей; нужны указания о том, как формовать отливку, на каких машинах. Если деталь стальная, то при сложной ее конфигурации Заготовку нужно штамповать, следовательно, понадобится чертеж штампа для пресса или молота; при цилиндрической форме детали заготовку отрезают от круглого прутка (штанги), поэтому потребуется указать диаметр прутка и его длину, учитывая припуск на последующую обработку.
Нет нужды дальше перечислять условия, без которых ни один рабочий чертеж в производство пускать невозможно. Рабочий чертеж показывает, что нужно сделать, а производственникам нужно еще знать, как это сделать: где и какими способами, на каких станках, с помощью каких инструментов и приспособлений, рабочие какой специальности и квалификации могут хорошо справиться с Каждой операцией намеченного технологического процесса.
Для решения всех вопросов обработки детали и сборки изделия рабочие чертежи проходят еще одну стадию технологической подготовки производства. Только после разработки технологических процессов и их оснащения моделями, штампами, приспособлениями и инструментами (все это — оснастка) можно передать чертежи в цехи для исполнения. Именно из-за обилия и разнообразия оснастки технологической службе, включая инструментальные цехи, требуется на эту работу времени в 2—3 раза больше, чем конструкторской службе на доведение проекта машины до выпуска рабочих чертежей.
Сколько лет проходит от идеи до изделия
Как любой продукции нужно пройти целый ряд стадий, процессов, операций, прежде чем из природного сырья получатся готовые для потребления изделия, так в наше время для получения законченного проекта и производства той или иной машины требуется много стадий: начальный замысел, идея, конструирование, изготовление опытных образцов и испытания. Для внедрения фотографии понадобилось 112 лет, телефона — 56, радио — 35.
Срок от рождения идеи до реального воплощения ее всегда состоит из двух частей. В первой его части ищут образ, в который нужно воплотить вновь возникшую идею; ищут до тех пор, пока не выполнят первые экземпляры машины, аппарата, установки (может быть, и мебели, обуви, посуды и т. д.) и пока не проверят, насколько правильно разработаны для них чертежи и технические требования (для новых материалов — состав, свойства, рецептура). По имеющимся данным, эта часть периода превращения замысла в действительность заняла при создании паровой машины 19 лет, двигателя внутреннего сгорания 17 лет, электродвигателя даже около 50 лет, паровой турбины около 35, а атомной электростанции 15—20 лет. Сроки внедрения научной идеи теперь, конечно, сокращаются. Например, идея оптического квантового генератора (лазера) была высказана в 1952 году, через два года уже проводились испытания первого такого прибора, а через шесть лет налажен промышленный выпуск разнообразных лазеров.
Можно заметить, что приведенные примеры относятся к таким исключительно сложным машинам, системам или оборудованию, появление которых означало целую эпоху. Но и не такие сложные, принципиально новые разработки требуют все же значительных сроков; современные станки, хлопкоуборочные комбайны, электровозы, автомобили требуют для освоения нередко от 4 до 10 лет.
Долго ли освоить и наладить производство?
Представление о порядке работ по освоению новой машины дает общий график подготовки и налаживания производства. Для максимального уплотнения всего цикла подготовки к каждой следующей работе приступают, не дожидаясь окончания предыдущей, а как можно раньше. Проектирование технологических процессов начинают до окончания рабочего проекта в целом. С опережением приступают и к разработке чертежей приспособлений, инструментов и другой оснастки.
Такую организацию работ называют параллельно-последовательной, так как возможно большую часть каждой последующей работы выполняют одновременно (параллельно) с предыдущей. Этим намного сокращают длительность всего цикла подготовки. На графике видно, что длительность цикла от начала эскизного проекта (или выдачи технического задания) до начала серийного изготовления деталей по исправленным чертежам и оснастке в нашем примере составила Гц=32 месяцев, а после полной отладки — 34 месяца.
На протяжении всей подготовки серийного, а тем более массового производства несколько раз приходится проверять правильность чертежей и исправлять их не только в конструкторском бюро, но и при испытании опытных образцов, когда убеждаются, что новая машина отвечает задуманным требованиям.
А будут ли все спроектированные технологические процессы и оснастка соответствовать качеству нашего изделия, с одной стороны, и удобству выполнения их рабочими — с другой? Для того чтобы убедиться в этом, запускают опытно-производственную серию новых машин, которая обозначена на графике как период «А». К этому времени часть оснастки уже поставлена на станки. Исправление рабочих чертежей вызовет ту или иную переделку приспособлений, штампов, иногда и моделей, конечно, и их чертежей.
Только теперь начинается серийное (или массовое) производство, причем в первый его период нормируют работу рабочих на всех станках и сборочных стендах (или на конвейере), добиваются нужного качества каждой детали и узла, нормальной сборки их без подгонки, выпуска готовых доброкачественных машин.
Когда налажен процесс выпуска изделия (период «Б» на графике), нужно еще знать, какая должна быть норма выработки в единицу времени. В этот период рабочим задается норма выработки несколько меньше, чем по проекту, пока все участники изготовления новой машины не освоят своих операций и не приобретут нужные навыки и сноровку в работе. Когда же они этого достигнут, то и выпуск нового изделия достигнет проектной величины, и тогда наступает долгожданный период «В» полностью освоенного производства, на нашем графике к началу 4-го года.
