Борьба за точность
Борьба за точность
Какими именно методами развиваются технологии ?
Таких методов всего несколько. Один из самых основных — повышение точности производства…
За 500 лет до рождества Христова греческий философ Протагор провозгласил — «человек — мера всех вещей!». Это является величайшей ошибкой. Не, возможно для Протагора, который был отобран Демокритом за качественное складывание дров в вязанки, это и было правильным. Ну и для вещей, по размеру более-менее сопоставимых для человека это процентов на 20 правильно. Вся проблема в том, что вещей, сопоставимых с человеком — совсем немного.
Разницу между несколькими поколениями процессоров — скажем между 50-нм и 22-нм мы может определить только по fps игрушки, а чаще всего — по ценнику. Слово «нанометр» ничего не говорит человеческому организму.
То же самое с большими вещами. Я когда вплотную подошел к пирамиде Хеопса, то пирамиды и не увидел. Налево — забор на сто метров, направо — забор на сто метров, вверх пару уровней плит корявых. А где пирамида-то? А если отъехать на километр — то пирамида как нарисованная, от картинки не отличается. Такие вещи хорошо на чертежах и картах выглядят. Если карта нормального человеческого размера, конечно.
Поэтому с такими масштабами человеческие чувства не помогают — нужны специальные методы.
Лучше всего чувства работают с предметами от 5-8 мм (с человеческий ноготь) до чуть больше метра (вытянутая рука).
Именно здесь человек может хоть что-то более-менее выдать. При этом точность зависит от длины предмета и измеряется не в миллиметрах, а в процентах.
И это мы еще не обращали внимания на инструмент! Ведь инструмент — только относительное продолжение руки и многие тысячи лет он слабо способствовал повышению точности. А часто технологии диктовали свои правила, например точность кузнечного молота равна этим же самым 5 мм ширины человеческого ногтя, и поэтому форму нужно было доводить холодной ковкой, выиграв еще пару миллиметров. Но вот точность стеклянного дутья не будет выше пары мм, даже баллоны радиоламп разнятся.
Если же посмотреть ретроспективно — эта точность поднималась от столетия к столетию.
Сейчас за этим можно проследить, рассматривая не столько археологические и музейные образцы, сколько мерительные инструменты тех времен. Когда всех мерителей — линейка и кронциркуль, то и результат соответствующий.
Но возьмем 1760-й год, начало промышленной революции, читаем дневник английского мастера Ричарда Рейнольдса:
«Сегодня мы начали расшлифовку красномедного цилиндра паровой машины для угольных рудников в Эльфингтоне. Размер его: диаметр — 28 дюймов и длина — 9 футов. После многих неудач и после того, как три отливки вышли в брак, мы очень сомневались, удастся ли нам довести до счастливого конца сложную обработку изделия такой величины. Но рудники очень нуждались в цилиндре, и это завставляло нас пробовать еще и еще раз. Теперь же мы благодарим всемогущего бога за то, что он помог нам выйти с честью из такого тяжкого испытания».
Да, цилиндр был не мал — диаметр 70 см и длиной 2.7 метра. Однако, послушаем как они его делали:
«После того, как цилиндр был прочно установлен на двух скрепленных деревянных балках во дворе мастерской, в него была залита свинцовая масса весом около 300 фунтов. К концам получившейся свинцовой колоды прикрепили по железной штанге с прилаженными к ней веревками. С каждой стороны колоды в эти веревки впрягли по шести сильных и ловких рабочих. Затем в цилиндр залили масло с наждаком и путем протягивания колоды взад и вперед мы его расшлифовали. По мере того, как одно место внутренней поверхности делалось гладким, мы поворачивали цилиндр и шлифовали следующий участок. Этим способом, затрачивая большие усилия, работая с огромным напряжением, мы, наконец, достигли такой степени точности обраьотки, что наибольший диаметр цилиндра отличается от наименьшего на величину, меньшую чем толщина моего мизинца. Это достижение послужило для меня поводом к большой радости, так как оно явилось лучшим из тех результатов, от которых мы до сих пор слышали».
Напоминаю — это 1760 год.
В каждом более-менее добропорядочном городке — башенные часы на ратуше. Охотничьи штуцера давно нарезные. Голландские ветряные мельницы с башнями, поворачивающимися за ветром, уже давно осушили низины, а ветряные лесопилки переработали бревен, которых достаточно не на один десяток «Великих Армад» (которая 150 лет как на дне). Речь не идет ни о средневековье (которое к тому времени успешно забыли), не об эпохе Возрождения или об эпохе Великих Географических Открытий (каждая из которых потребовала технологических рывков). Тут уже — самая что не на есть техническая революция!
Не будем обсасывать вопрос «а лучше получилось бы у попаданца». Я почему-то не сомневаюсь, что у попаданца ничего бы не получилось. Слаб он по сравнению с лучшими в мире мастерами (на то время).
Тут вопрос в другом — а что было ДО этого?
А до этого было неровно. Во времена Римской Империи технологии и точность обработки были выше, а в средневековье опять свались ниже Древнего Египта. Но во все — во все эпохи обходились линейкой и кронциркулем! В конце 15 века изобрели штангенциркуль — деревянный и очень грубый, его год от года усовершенствовали и вот к 1631 году Пьер Вернье изобрел нониус, что повысило точность штангенциркуля.
Отсутствие в измерительном инструменте миллиметровых делений, да и вообще насечек меньше сантиметра может говорить только об одном — такие вещи измерять было незачем, технологии не давали такой точности производства.
Но напоминаю — Модсли начал выпускать токарные станки с суппортом (которые могли обратывать не только медь, но и сталь, а главное — нарезать резьбу) в 1798 году. То есть почти через сорок (!) лет после описываемых событий. Что же произошло за эти пару десятков лет?
Собственно, техническая революция.
Уже через пять лет, в 1765 году Джеймс Уатт хвастался изготовлением цилиндра «с точность до полукроны» — то есть монету нельзя было просунуть между цилиндром и поршнем паровика. Можно представить себе КПД такого паровика. А также — его надежность, когда сочленения болтаются. И особенно — его ремонтопригодность, если до резьбового соединения 35 лет…
Но, однако, наша история только начиналась, пусть даже вступление у нее оказалось затяжным.
В 1765 году Смитон изобрел машину для расточки цилиндров, с помощью которой увеличивалась скорость и особенно — точность работы. У нее была ножевая головка с приводом от водяного колеса. Машина не давала максимума, потому что ножевая головка ходила внутри цилиндра с помощью тележки, которая ездила внутри цилиндра — который ровным не был и тележка повторяла все его неровности. В 1775 году Вилькинсон построил другую машину, где недостаток был устранен, а ножи заменены резцами.
Конечно, тут можно возразить — внутренние поверхности обрабатывать сложнее!
Сложнее. Наружные поверхности цилиндров до Модсли вообще вручную обрабатывали. Как они контролировали толщину стенки — бог весть. Я подозреваю, что исключительно за счет избыточности. Сколько там стоит медная отливка длиной под три метра?
Тут уже высказывались — «меч прямой, значит и станина для токарного станка с суппортом будет прямая».
Глядя на все эти усилия, понятно, что меч ниразу не прямой. Там те же отклонения в плюс-минус пять миллиметров, меч контролировали только по толщине. А станина — она должна быть прямой с точность хотя бы 0.1 мм, иначе суппорт просто будет застревать или будет невозможно выточить резьбу на винте, который будет подходить к гайке.
И не надо рассказывать про плашки с метчиками, ведь метчик нужно где-то изготовить, а стачивается он быстро. И кому нужна такая резьба, что одна партия не совпадает с другой из-за сделанных вручную плашек или метчиков? Да и вопросы металлобработки тут тоже поднимаются в полный рост. Делать для каждого новой гайки М42 новый метчик?
Не зря, пока станок не сделали — резьбовое соединение почти и не применялось.
Как мы знаем, на этом все не остановилось. Качественный штангенциркуль с нониусом дает 0.1 мм точности, а качественный 0.01 мм — достигается микрометрическим винтом. При этом микрометры начали широко применяться только после 1873 года — после того, как американской фирме «Хирт» удалось наладить их массовое производство. Однако, микрометр был изобретен на 25 лет раньше, но резец не успевал за измерительным инструментом и микрометры не выпускались.
Для несведущего человека кажется, что этого достаточно. Однако, напомню, что современные игрушечные пластиковые кубики «Лего» выпускаются с точностью 0.002 мм. Но тем не менее — 0.01 мм достаточно, чтобы наконец сделать станки, на которых делаются примитивные ДВС. На самолет их не поставить, но повозки тягать они будет.
Итак, точность год от года улучшалась. К концу 19 века микрометра стало мало. Появились миниметры или индикаторы, они работали по принципу чувствительного рычага и позволяли измерять 0.0001 мм.
Конечно, в массовом производстве микрометры или индикаторы не были удобны и поэтому появились калибры, предельные скобы и предельные пробки. Однако, вершиной этого являются плитки Иогансона, изобретенные в 1900-м году — то есть просто набор стальных плиток разного размера, изготовленных с точностью 0.001 мм. Стандартный набор включал в себя 103 плитки — 50 плиток от 1.01 мм до 1.49 мм, одна плитка 1.005 мм, еще 49 плиток от 0.50 мм до 24.5 мм и четыре плитки в 25, 50 и 100 мм. Если соединить несколько плиток, то можно получить любой размер с точностью до 0.01 мм. При этом самое интересное, что плитки настолько притерты и отполированы, что при прикладывании друг с другом они «склеиваются», при этом могут так друг за друга держаться, что их приходится сдвигать относительно друг друга, просто разовать не выходит.
И это все — исключительно чтобы получить дореволюционные станки! Никто не говорит о «рокет сайнс» или реактивном двигателе. Речь всего лишь о каком-нибудь «Блерио XI», который в 1909 году перелетел Ла-Манш с движком в 40 лошадиных сил, разгоняющем его до умопомрачительных 100 км час. При пикировании.
Однако, отечественная промышленность таких станков освоить не могла. Совсем. Станки и двигатели закупались за рубежом. Только уже после революции и идустриализации этой точности смогли достичь, но точные станки все равно почему-то продолжали покупать за рубежом, ведь борьба за точность на месте не стояла.
Современную точность уже получают оптическими и электронными методами, но достижение все большей точности не останавливается. Слово «нанотехнологии» только по-русски звучит как развод, но страны, которые ее продвигают, об этом не догадываются. Да еще и неизвестно — будет ли край после технологий тоньше, чем «нано». Но это уже другая история…
