Historie kovoobráběcích nástrojů | Články LLC CIANSPILES

Je těžké si představit rozvoj moderního strojírenství a dalších průmyslových odvětví bez použití různých kovoobráběcích nástrojů. Četné obrobky získávají požadovaný tvar při řezání a abrazivním působení odstraněním nepotřebných částí nebo kovových třísek. Hotové kovové výrobky se používají ve všech sférách lidského života, od medicíny až po každodenní život.

Pro dosažení složitých tvarů dílů pro stávající mechanismy a nová zařízení lidé zdokonalují technologie výroby kovoobráběcích nástrojů. Historie vývoje prvních zařízení na zpracování různých kovů začala několik století před naším letopočtem.

Lidé v období neolitu používali kamenné nástroje v podobě seker, škrabek, nožů, dlát, hrotů, motyk, srpů a dalších výrobků. Kámen se však drol a praskal, díky čemuž se nástroje rychle staly nepoužitelnými. Od 3. tisíciletí př. n. l. se proto začala aktivně používat měď, cín a bronz, které se staly základem pro vytvoření mnoha nástrojů. Rozvoj civilizace si však vyžádal výrobu nových produktů, které vyžadovaly pevnější kov. Následně se takovým materiálem stalo železo.

Pravděpodobně v 7. století před naším letopočtem. již bylo používáno strojní zařízení, jehož dva středy držely dřevěnou část. Otáčení obrobku probíhalo pomocí úsilí otroků a dělník jej soustružil pomocí kovové frézy. Zmínky o použití soustruhu pocházejí také ze starověku; tehdejší spisy hovoří o podobném zařízení vytvořeném v 6. století před naším letopočtem.

V řemeslech Německa 2. století našeho letopočtu. používaly se již nástroje jako pilníky, škrabky, řezáky, nože, kleště, ale i brusné, leštící materiály a rýsovací prkna. V té době byly kovoobráběcí nástroje široce používány v Evropě a na východě. Technologie zpracování kovů byly zdokonalovány na základě vojenských, stavebních a domácích potřeb.
Ve starověké Rusi se používalo svařování železa, nauhličování a ražení mincí. K dosažení požadovaného tvaru kovu bylo použito kování, jehož vyšší účinnosti bylo dosaženo ohřevem obrobku nad ohněm. Tato technologie využívala kamennou kovadlinu a kladivo. Postupem času byla k ohřevu kovu použita kovárna a místo kamenné kovadliny byla použita ocelová tyč. Výrobek byl zpracován pomocí kovového kladiva s dřevěnou rukojetí.

Jedním z prostředků pro zpracování obrobku byl luk, pomocí tětivy se kov vyřezával. Potřeba provádět translační rotace přídě v různých směrech vyžadovala spoustu času. Tento pracný proces byl v 15. století nahrazen vynálezem nožního pohonu s ojnicí. Zařízení vybavené klikou a pedálem umožňovalo otáčení dílu v jednom směru, což značně zjednodušilo práci.

Nožní stroj však nebyl dostatečně výkonný na zpracování kovů. Proto bylo použito vodní kolo, které bylo několik staletí používáno jako hlavní motor mechanismu stroje. Řezačka, spočívající na stojanu, se musela držet v ruce.

V pozdním středověku se používaly soustruhy vybavené horním vahadlem nebo vahadlem. Pancíř se leštil pomocí leštícího kotouče otáčeného vodním kolem. Technologie zpracování kovů byly zdokonaleny v procesu vytváření nových typů zbraní. Bylo potřeba vyvrtat hlavně děla, řezat kov, řezat závity a soustružit ovály pomocí strojů a speciálních nástrojů.

Pro usnadnění soustružnických prací provedl v 16. století francouzský vědec J. Besson významnou úpravu mechanismu stroje. Ve svých poznámkách „The Theatre of Instruments and Machines“ nastínil hlavní změny provedené v systému zařízení, které umožňuje zpracování válcových, kuželovitých dílů a povrchů. Mnoho z jeho nápadů se využívá v moderní montáži soustruhu.

S vynálezem parního stroje vyvstala potřeba přesné výroby povrchů válců. V 18. století se k tomuto účelu používalo ruční broušení, které trvalo asi měsíc. Další zdokonalení technologie vrtání válcových otvorů J. Smithem a J. Wilkinsonem však umožnilo vyrábět parní stroje v průmyslovém měřítku.

Ruský vědec A.K. Nartov, který navrhl šroubový soustruh, analyzoval a zdokonalil technologie zpracování kovů. V mechanismu, který držel frézu, použil třmen. To značně zjednodušilo práci, protože osoba nemusela držet frézu rukou. Soustruh později sestavil G. Maudsley v roce 1800 po mnoha neúspěšných pokusech a úpravách mechanismu.

Pro hromadnou výrobu brokovnic vytvořil E. Whitney frézku. Ale postupem času se kovoobrábění dotklo nejen zbraní, kam patřila výroba motorů pro válečné lodě, dělostřelectvo, střelné zbraně a další druhy zbraní. Automobilový průmysl a rozšířená elektrifikace umožnily hromadnou výrobu dílů a sestav na kovoobráběcích strojích. Henry Ford toho využil a zahájil sériovou výrobu vozů Ford.

Po skončení první světové války se začaly používat točivé stroje. Díl byl vyroben pomocí předem nakonfigurovaného a nainstalovaného nástroje, což výrazně ušetřilo čas. Později se tato technologie stala prototypem pro provoz číslicově řízených obráběcích strojů.

Od druhé poloviny 19. století se pro obrábění kovů začaly používat různé frézy, spirálové vrtáky, hřebeny a další nástroje. Začaly se pro ně používat různé slitiny včetně rychlořezné oceli.

Navzdory názvům období vývoje primitivní společnosti se metalurgie začala rozvíjet v době kamenné. Nejstarší lidské úsilí v kovoobrábění je datováno historiky do šestého století před naším letopočtem. Odpovídající archeologické nálezy, které tomu nasvědčují, byly objeveny na Pyrenejském poloostrově, na Balkáně (v Srbsku a Bulharsku) a v britském Stonehenge. Je pravda, že není vždy snadné určit stáří všech těchto nálezů.

Samozřejmě, že starověký muž prováděl své první experimenty v metalurgii s kovy s nízkou teplotou tání: stříbrem, cínem a také železem meteoritového původu. Zpracování kovů s vyšší teplotou tání bylo v těch vzdálených dobách prostě nemožné. Takže ve 3. tisíciletí př. Kr. Egypťané se naučili vyrábět docela dobré zbraně z meteoritového železa, které byly ceněny daleko za hranicemi starověkého Egypta. Tyto odolné čepele byly brzy nazývány „nebeskými dýkami“.

Asi před 5500 lety vstoupilo lidstvo do nové éry svého vývoje – do doby bronzové. Tento přechod byl poznamenán několika důležitými úspěchy. Za prvé, člověk se naučil získávat cín a měď z hornin. Za druhé se mu podařilo získat zcela novou slitinu – bronz. Další rozvoj hutnictví však vyžadoval technologicky vyspělejší a složitější procesy, a proto se na více než dvě tisíciletí zpomalil.

Obecně se uznává, že technologii získávání železa z rudného tělesa poprvé objevili Chetité, národ, který žil v Malé Asii a je opakovaně zmiňován v Bibli. Stalo se tak kolem roku 1200 před naším letopočtem. Právě od tohoto data začíná doba železná ve vývoji společnosti.

Stopy rozvoje hutnictví železa lze vidět v různých historických kulturách: ve starověkém Řecku a Římě, Egyptě a Anatolii, Kartágu, staré Číně a Indii. Nebylo by špatné poznamenat, že mnoho technik a metod zpracování kovů vynalezli Číňané a teprve poté je všechny zvládli Evropané. Řeč je zejména o tavení litiny, vynálezu vysoké pece nebo hydraulického bucharu. Ale vůdci v oblasti kování a těžby kovů, jak nedávno zjistili výzkumníci, byli staří Římané.

Historie vývoje metalurgie v Africe, jihovýchodní Asii a Austrálii

Jak se vyvíjela metalurgie v jiných oblastech Země? Je známo, že v druhé polovině 1. tisíciletí př. n. l. se již v jihovýchodní Asii aktivně používaly nástroje z litiny. Nejprve to byly bimetalické výrobky a o něco později byly vyrobeny výhradně ze železa.

Obyvatelstvo starověké Číny také znalo bimetalické věci. K jejich výrobě bylo použito železo meteoritového původu. První informace o takových výrobcích v Číně pocházejí z 8. století před naším letopočtem. Ale v polovině prvního tisíciletí před naším letopočtem se v této části světa začalo vyrábět skutečné železo. Byli to Číňané, kteří jako první zvládli techniku ​​výroby litiny a dokázali to mnohem dříve než Evropané.

Africký region také významně přispěl ke globálnímu procesu rozvoje metalurgie. Právě v Africe byla vynalezena válcová pec pro výrobu oceli, kterou ostatní národy světa neznaly. Mnoho historiků je přesvědčeno, že Afričané se naučili vyrábět železo zcela nezávisle, bez jakýchkoliv vnějších vlivů. Asi před 2600 lety se železo objevilo již v řadě zemí a území „temného kontinentu“: v Súdánu, Libyi a Núbii. Některé africké kmeny, jak vědci naznačují, zcela „přeskočily“ z doby kamenné – rovnou do doby železné.

Obecně byla výroba železa v Africe plně rozvinuta ve druhé polovině 1. tisíciletí před naším letopočtem. Je zvláštní, že výroba mědi zde byla zvládnuta ještě o něco později. A pokud se na tomto kontinentu vyráběly šperky z mědi, pak se ze železa vyráběly pouze nástroje.

Pokud jde o „jižní zemi“ – australskou pevninu, zde se metalurgie železa začala rozvíjet až v období velkých geografických objevů (v 16.-17. století).

Rysy vývoje metalurgie v Americe

Nový svět se vyznačoval existencí několika center rané metalurgie. Jedno z těchto pařenišť bylo v andských horách, které jsou proslulé bohatými rudnými minerály. Prvním kovem zde bylo zlato. Kromě toho se v Andách vyráběly stříbrné výrobky. Na území moderního státu Peru v druhé polovině 2. tisíciletí př. Kr. Byla získána slitina stříbra a mědi – tumbaga, která se stala mimořádně populární v Jižní Americe.

Ve Střední Americe se lidé seznámili s kovem až v prvním tisíciletí před naším letopočtem. Navíc sem byl přivezen. Mayské kmeny ovládly řemeslo výroby kovů až v 7. století našeho letopočtu. V této době se však jejich civilizace již blížila k úpadku.

Prvním kovem v Severní Americe byla měď. Pak se zde naučili vyrábět železo (nejprve meteorit a o něco později – blesk). Stalo se tak v prvním tisíciletí před naším letopočtem a západní oblasti kontinentu se v této oblasti vyvíjely mnohem rychleji.

Vynález způsobu výroby sýra

Jedna z nejstarších metod získávání železa se nazývá foukání sýra (ze slov „foukat“ a „syrové“). Pece byly hloubeny přímo do země, obvykle na svazích terénu. Vlhký (studený) vzduch byl vháněn do malých pecí obsahujících železnou rudu. V raných fázích vývoje této metody byl tah vzduchu přirozený, ale později byl nahrazen umělým – do pece byl vháněn vzduch.

Dno pecí bylo naplněno uhlím a navrch se ve vrstvách kladla ruda a uhlí. Ten při spalování uvolňoval oxid uhelnatý, plyn, který sloužil jako redukce oxidů železa. Stojí za zmínku, že při metodě vyfukování sýra se železo ani tak neroztavilo, jako „vařilo“, protože tento proces vytvořil teplotu nedostatečnou pro roztavení železa (asi 1200 stupňů Celsia). Na základě toho bylo na dně pece umístěno „vařené“ železo ve formě houbovité hmoty připomínající těsto. Tato hmota zpravidla obsahovala četné nečistoty a zbytky uhlí (v některých případech však byla struska odstraňována z pece speciálním skluzem).

Aby bylo možné vyrobit jakékoli produkty z takového substrátu, bylo nutné nejprve odstranit cizí nečistoty z kritsa. To bylo provedeno pomocí kování – za studena a za tepla. Nakonec bylo možné získat křičící železo pro pozdější použití.

K „vynálezu“ sýrařského způsobu výroby železa, jak historici naznačují, došlo při přímé tavbě olova nebo mědi. Jak známo, tento proces doprovázelo přidávání nejen uhlí a příslušné rudy, ale také hematitů do tavicích pecí. A právě podle tohoto scénáře s největší pravděpodobností člověk obdržel první výkřiky železa. Je docela možné, že pece na tavení mědi se prostě postupně změnily na pece na foukání sýrů.

Stává se tak, že je mnohem snazší získat měď nebo cín než železo. I když měděné a cínové rudy jsou v přírodě mnohem méně běžné než rudy železné. Proto se proces výroby sýra ukázal jako velmi důležitá etapa ve vývoji metalurgie železa. Tato technologie byla neustále zdokonalována: zlepšováním procesu foukání nebo zvětšováním velikosti pecí. Všechna tato vylepšení však nevyřešila hlavní problém: bleskové železo neobsahovalo prakticky žádný uhlík, což znamená, že nemohlo konkurovat bronzu. Věci z něj vyrobené nebyly dost tvrdé ve srovnání s výrobky vyrobenými z bronzu. Právě z tohoto důvodu se v té době k výrobě šperků ve větší míře používalo železo. Ve výrobě železa bylo zkrátka potřeba něco změnit.

Zvládnutí technologie nauhličování a kalení železa

Dalším krokem ve vývoji metalurgie byl vznik tzv. „cementační“ technologie a také kalení a tepelného popouštění železa. S rozvojem těchto tří procesů je spojen začátek plnohodnotné doby železné.

Cementace označuje proces umělého nasycení zrna uhlíkem. Tuto technologii jako první zvládl člověk. K cementování kamenného železa byly použity různé látky. Nejprve se hmota kalcinovala v kostním uhlí, později v dalších látkách s vysokým obsahem uhlíku. Zvládnutí technologie cementování dalo člověku možnost získat první, byť velmi primitivní vzorky oceli.

„Cementované“ železo již předčilo bronz ve své tvrdosti. V tomto případě stupeň nasycení kritsa uhlíky závisel na teplotě ohřevu železa.

Po objevu cementační techniky byl objeven efekt vytvrzování. Muž byl překvapen, když zjistil, že železo nasycené uhlíkem a ochlazené se stává ještě silnějším. K takovému chlazení se používala voda, sníh, nebo se žehlička prostě nechávala na volném studeném vzduchu. I v druhém případě se projevil účinek.

Oba výše popsané procesy s největší pravděpodobností objevil člověk náhodou. Je nepravděpodobné, že by starověcí kováři dokázali vysvětlit skutečnou povahu těchto procesů. Dokládají to nalezené písemné prameny té doby. Zejména v nich lze najít velmi zajímavé momenty. Skutečnost, že se pevnost železa během kalení zvyšuje, byla tedy často vysvětlována fantastickými nebo mystickými teoriemi. Například v kronice z Malé Asie pocházející z devátého století před naším letopočtem lze najít barevnou metodu kalení železa „zapíchnutím dýky“ do těla „svalnatého otroka“. Právě síla otroka podle autora tohoto textu způsobila, že kov byl tvrdší. Neméně zajímavý je i samostatný fragment z Homérovy „Odyssey“, kde je vypálení kyklopova oka přirovnáno k ponoření rozžhaveného sekáčku na železo do ledové vody. Navíc Homer o druhém postupu hovoří jako o „léčbě sekerou“. Na základě toho staří Řekové pravděpodobně nepochopili podstatu procesu kalení kovu, ale dali mu zvláštní, magický význam.

Kalená ocel má jednu podstatnou nevýhodu – je to nadměrná křehkost. Objev technologie tepelného temperování železa umožnil jeho výrazné snížení. Tato technologie spočívá v ohřevu produktů na 727 stupňů Celsia (to je limitní teplota deformace železné konstrukce).

Člověk by si neměl myslet, že vývoj technologií pro nauhličování, temperování a kalení železa byl jednorázový proces. Ve skutečnosti tyto procesy trvaly asi tisíc let! Byl to ale objev a zdokonalení těchto tří technologií, které jednou provždy ukončily nesmiřitelné soupeření mezi bronzem a železem.

Vývoj hutnictví ve středověku

Během středověku se již tavicí pece výrazně změnily. Jednak dosahovaly výšky dvou až tří metrů. A za druhé fungovaly s využitím vodní energie: dmychadla uváděla do pohybu speciální potrubí nebo velká vodní kola.

Ve středověké Evropě byly rozšířeny takzvané „stukofeny“ – obrovské a vysoké pece, které přivedly železnou metalurgii na novou etapu jejího vývoje. Tyto pece byly vybaveny 4metrovým potrubím pro posílení trakce a vodních motorů. Někdy měchy pohánělo několik dělníků. Z takové pece byly jednou denně odstraňovány žláznaté critsa.
Zajímavá je historie vynálezu a pronikání stukofenu do Evropy. Byly vynalezeny v Indii v prvním tisíciletí před naším letopočtem. Poté se nový vynález dostal do sousední Číny a odtud v 7. století našeho letopočtu do arabského světa. Ve 13. století přivezli Arabové tato zázračná kamna na jih Pyrenejského poloostrova, odkud se rychle rozšířila do celé Evropy.

Produktivitou a technickými parametry byl stukofen hlavou nad svými předchůdci – pecemi na vyfukování sýra. Teplota tavení v něm byla vyšší, což umožnilo získat vysoce kvalitní litinu. Stukofen mohl produkovat více než dvě century železa denně. Je pravda, že litina z takové instalace byla zpravidla nevhodná. Faktem je, že skončilo na dně pece a mísilo se se struskou. K jeho čištění bylo zapotřebí kování, ke kterému se litina nehodila. V té době nebyly známy žádné jiné způsoby jeho čištění.

Přesto se některým národům podařilo i pro takto „špinavou“ litinu najít využití. Hinduisté z něj například vyráběli rakve pro zemřelé. Ale v Osmanské říši se dělové koule vyráběly z litiny.

Vynález nového typu pece – blauofen

Středověcí metalurgové stanovili důležitý vzorec: čím vyšší je teplota tavení rudy v peci, tím více produktu (železa) lze získat na výstupu. Po tomto objevu se začali pokoušet modernizovat své štukové ventilátory: zvýšit výšku potrubí a nastavit systém předehřívání vzduchu. Takže v 15. století se v Evropě objevil nový typ kamen – blauofen.

Modernizované pece však téměř okamžitě nepříjemně překvapily hutníky. Výtěžnost konečného produktu se sice zvýšila, ale zároveň se o 20 % zvýšilo i množství odpadu – nevyužitelné litiny. Špinavé, nebo, jak se také říkalo, „vepřové“ železo, jen ztuhlo na dně nových pecí. Litina smíchaná se struskou byla jako dříve absolutně nevhodná pro odlévání. Zpravidla se z něj vyráběly perlíky, kovadliny a další hrubé vybavení. Pravda, jako kvalitnější se ukázaly dělové koule vyrobené z blauofen litiny.

Dalším pozitivním aspektem Blauofen je, že množství oceli kolem okrajů železného jádra v těchto pecích výrazně vzrostlo. To hutníky samozřejmě potěšilo. Avšak na druhou stranu bylo velmi, velmi obtížné oddělit takovou ocel od ječícího železa. A v této situaci se různé národy vydaly různými cestami při řešení tohoto složitého problému.

V Indii tedy bylo veškeré úsilí věnováno zlepšení technologie kování, aby bylo dosaženo rovnoměrnější distribuce uhlíků ve výrobku. A tyto snahy přinesly své ovoce – indiáni dostali damaškovou ocel – velmi pevnou a elastickou ocel, ze které se v té době vyráběly prvotřídní zbraně s ostřím. Bulat se vyráběl také v Íránu a Střední Asii.
Číňany a Evropany na rozdíl od Indů vůbec nezajímala kvalita, ale kvantita výsledného produktu. Proto to byli oni, kdo brzy objevil tzv. konverzní proces, který neuvěřitelně silně ovlivnil vývoj hutnictví jako celku.

Vznik vysokých pecí

Až 1500 tun kvalitní litiny denně – to bylo něco, o čem se středověkým metalurgům ani nesnilo. To se ale s příchodem vysokých pecí stalo každodenní normou. Díky svým velkým rozměrům, předehřevu vzduchu a mechanickému dmýchacímu systému byla taková pec schopna extrahovat železo z rudné hmoty a přeměnit ji na litinu. Ten vyšel v roztavené formě. Pravda, kování bylo stále nutné. Ale nyní bylo ve hmotě mnohem méně strusky a více železa. Další výhodou vysoké pece byl její nepřetržitý provoz. Instalace fungovala nepřetržitě, bez zastavení nebo chlazení.

V 140. století byl v evropské metalurgii objeven další proces – pudlování. Jednalo se o čištění litiny v peci pomocí plynu získaného spalováním uhlí nebo jiného minerálního paliva. Mimochodem, ve starověké Číně touto metodou dokonce vyráběli ocel už v XNUMX. století. Při této čisticí technice se železné částice shromažďují v hrudkách. V kovárně nebo ve speciálním válcovacím stroji se pak svařovaly a získávaly se z nich různé železné polotovary. Pudlovací metoda umožnila zvýšit produktivitu železa na XNUMX kg za hodinu.

Vývoj hutnictví v 19. a 20. století

Další skok ve vývoji hutnictví nastal na konci 19. století. Během tohoto období byly téměř současně zavedeny do kovovýroby tři zcela nové metody: open-hearth, Thomas a Bessemer. Všechny tyto metody enormně zvýšily produkci oceli – až na šest tun za hodinu.
O půl století později se do metalurgie zavádějí ještě novější postupy. Jedná se zejména o plynulé lití oceli a tryskání kyslíkem. Profukování kyslíku roztaveným kovem v konvertorových pecích výrazně urychlilo rychlost chemických reakcí.

Historie, jak víme, se pohybuje ve spirále. To platí i pro historii průmyslové výroby. Před tisíci lety lidé postavili sýrové pece v zemi a jednostupňovou metodou získali vysoce kvalitní korozivzdorné železo s malým množstvím nečistot. A dnes se vědci opět vrátili k technologii jednostupňových procesů, vyvinuli metodu obohacování rudy a výrobu oceli v elektrických pecích.