Сменные детали - Interchangeable parts

Взаимозаменяемые части - это части ( компоненты ), которые практически идентичны. Они производятся в соответствии со спецификациями, которые гарантируют, что они настолько почти идентичны, что могут вписаться в любую сборку того же типа. Одна такая деталь может свободно заменять другую, без какой-либо специальной подгонки, например подпиливания . Эта взаимозаменяемость позволяет упростить сборку новых устройств и более легкий ремонт существующих устройств, сводя к минимуму время и навыки, необходимые человеку, выполняющему сборку или ремонт.

Концепция взаимозаменяемости имела решающее значение для внедрения сборочной линии в начале 20-го века и стала важным элементом некоторых современных производств, но отсутствует в других важных отраслях.

Взаимозаменяемость деталей была достигнута путем объединения ряда инноваций и улучшений в операциях обработки и изобретения нескольких станков , таких как токарный станок с суппортом суппорта , токарно-винторезный станок , револьверный станок , фрезерный станок и строгальный станок по металлу . Дополнительные инновации включали в себя приспособления для направления станков, приспособления для удержания заготовки в нужном положении, а также блоки и калибры для проверки точности готовых деталей. Электрификация позволила привести отдельные станки в действие электродвигателями, исключив приводы линейных валов от паровых двигателей или гидроэнергетики и позволив более высокие скорости, что сделало возможным современное крупномасштабное производство. Современные станки часто имеют числовое управление (ЧПУ), которое превратилось в ЧПУ (компьютеризированное числовое управление), когда стали доступны микропроцессоры.

Методы промышленного производства сменных деталей в США были впервые разработаны в девятнадцатом веке. Термин « американская система производства» иногда применялся к ним в то время в отличие от более ранних методов. В течение нескольких десятилетий такие методы использовались в разных странах, так что американская система теперь является историческим ориентиром, а не современной отраслевой номенклатурой.

Первое использование

Свидетельства использования сменных частей можно проследить более двух тысяч лет назад до Карфагена во время Первой Пунической войны . Карфагенские корабли имели стандартизованные взаимозаменяемые детали, которые даже поставлялись с инструкциями по сборке, подобными отметке «вкладка A в гнездо B».

В Восточной Азии , в период Воюющих царств, а затем и во времена династии Цинь , бронзовые спусковые механизмы и запорные механизмы арбалета производились массово и делались взаимозаменяемыми.

Истоки современной концепции

В конце 18 века французский генерал Жан-Батист Вакет де Грибоуаль продвигал стандартизированное оружие в так называемой Système Gribeauval после того, как он был издан в качестве королевского приказа в 1765 году (в то время в центре внимания была артиллерия, а не мушкеты или пистолеты . ) Одним из достижений системы было то, что цельнолитые пушки просверливались с точными допусками, что позволяло сделать стены тоньше, чем пушки с полыми сердечниками. Однако, поскольку сердечники часто были смещены от центра, толщина стенки определяла размер отверстия. Стандартизированная расточка позволила сделать пушки короче без ущерба для точности и дальности из-за более плотной посадки снарядов . Это также позволило стандартизировать снаряды.

До 18 века оружейные мастера изготавливали такие устройства, как ружья, уникальным способом. Если один отдельный компонент огнестрельного оружия нуждался в замене, все огнестрельное оружие нужно было либо отправить опытному оружейнику для индивидуального ремонта, либо выбросить и заменить другим огнестрельным оружием. В течение 18 и начала 19 веков постепенно развивалась идея замены этих методов системой взаимозаменяемого производства. В разработке потребовались десятилетия и было задействовано много людей.

Грибоваль покровительствовал Оноре Блану , пытавшемуся внедрить Систему Грибоваль на уровне мушкета. Примерно к 1778 году Оноре Блан начал производить одно из первых огнестрельного оружия со сменными кремневыми замками, хотя оно было тщательно изготовлено мастерами. Блан продемонстрировал перед группой ученых, что его мушкеты могут быть оснащены кремневыми замками, выбранными наугад из кучи деталей.

Мушкеты со сменными замками привлекли внимание Томаса Джефферсона благодаря усилиям Оноре Бланка, когда Джефферсон был послом во Франции в 1785 году. Джефферсон пытался убедить Бланка переехать в Америку, но безуспешно, поэтому он написал военному министру США идея, и когда он вернулся в США, он работал, чтобы профинансировать ее развитие. Президент Джордж Вашингтон одобрил эту идею, и к 1798 году Эли Уитни подписал контракт на поставку 12 000 мушкетов, построенных по новой системе.

Луи де Тусар , бежавший от Французской революции, вступил в Корпус артиллеристов США в 1795 году и написал влиятельное руководство артиллериста, в котором подчеркивалась важность стандартизации.

Реализация

Многие изобретатели начали пытаться реализовать принцип, описанный Бланом. Разработка станков и необходимых производственных методов обойдется Министерству артиллерийского вооружения США в больших расходах , и в течение нескольких лет, когда пытались добиться взаимозаменяемости, производимое огнестрельное оружие обходилось дороже в производстве. К 1853 году появилось свидетельство того, что заменяемые детали, которые затем были усовершенствованы Федеральной оружейной палатой, позволили сэкономить. Департамент боеприпасов бесплатно поделился применяемыми технологиями с внешними поставщиками.

Эли Уитни и ранняя попытка

В США Эли Уитни увидел потенциальную выгоду от разработки «сменных частей» для огнестрельного оружия вооруженных сил Соединенных Штатов. В июле 1801 года он построил десять пушек, все из которых содержали одни и те же детали и механизмы, а затем разобрал их перед Конгрессом Соединенных Штатов . Он сложил детали в смешанную кучу и с его помощью собрал все огнестрельное оружие перед Конгрессом, как это сделал Блан несколько лет назад.

Конгресс был очарован и заказал стандарт для всего оборудования Соединенных Штатов. Использование сменных деталей устранило проблемы более ранних эпох, касающиеся сложности или невозможности производства новых деталей для старого оборудования. Если одна часть огнестрельного оружия выходила из строя, можно было заказать другую, и огнестрельное оружие не нужно было выбрасывать. Загвоздка заключалась в том, что оружие Уитни было дорогостоящим и производилось вручную квалифицированными мастерами.

Чарльз Фитч приписал Уитни успешное выполнение контракта на огнестрельное оружие со сменными частями с использованием американской системы , но историки Мерритт Роу Смит и Роберт Б. Гордон с тех пор определили, что Уитни на самом деле так и не добилась производства сменных частей. Однако оружейная компания его семьи сделала это после его смерти.

Парусные блоки Брунеля

Блок шкивов для такелажа на парусном судне

Массовое производство с использованием сменных деталей было впервые осуществлено в 1803 году Марком Исамбардом Брюнелем в сотрудничестве с Генри Модслей и Саймоном Гудричем под руководством (и при участии) бригадного генерала сэра Сэмюэля Бентама , генерального инспектора военно-морских заводов Портсмутского Блока Миллс. , Портсмутская верфь , Хэмпшир , Англия. В то время наполеоновская война была в разгаре, и Королевский флот находился в состоянии расширения, которое требовало производства 100 000 блоков шкивов в год. Бентам уже достиг поразительной эффективности в доках, внедрив механизмы с механическим приводом и реорганизовав систему верфи.

Марк Брюнель, инженер-новатор, и Модслей, отец-основатель технологии станков , разработавший в 1800 году первый промышленно практичный токарно-винторезный станок, который впервые стандартизировал размеры резьбы винта , совместно работали над планами по производству машин для производства блоков; предложение было передано в Адмиралтейство, которое согласилось нанять его услуги. К 1805 году верфь была полностью обновлена ​​революционным, специально созданным оборудованием, в то время как продукты все еще производились индивидуально с различными компонентами. Всего требовалось 45 станков для выполнения 22 процессов на блоках, которые могли быть выполнены в трех различных размерах. Машины почти полностью были сделаны из металла, что повысило их точность и долговечность. Машины будут делать отметки и углубления на блоках, чтобы обеспечить выравнивание на протяжении всего процесса. Одним из многих преимуществ этого нового метода было повышение производительности труда за счет менее трудоемких требований к управлению оборудованием. Ричард Бимиш, помощник сына Брунеля и инженера, Исамбард Кингдом Брунель , писал:

Чтобы десять человек с помощью этого механизма могли с единообразием, быстротой и легкостью выполнить то, что раньше требовало неустойчивого труда ста десяти человек.

К 1808 году годовое производство достигло 130 000 блоков, а часть оборудования все еще работала до середины двадцатого века.

Часы Терри: успех в дереве

Деревянная шестеренка от одних из высоких часов Терри, демонстрирующая использование фрезерованных зубов.

Эли Терри использовал сменные детали на фрезерном станке еще в 1800 году. Уорд Франсильон, часовщик, пришел к выводу в своем исследовании, что Терри уже делал сменные детали еще в 1800 году. В ходе исследования были изучены несколько часов Терри, произведенных между 1800–1807 годами. Детали были помечены и заменены по мере необходимости. Исследование пришло к выводу, что все части часов взаимозаменяемы. Самым первым массовым производством сменных деталей в Америке было подписание Эли Терри контракта 1806 года на Портера, предусматривавшего производство 4000 часов за три года. Во время этого контракта Терри изготовил четыре тысячи деревянных шестеренчатых механизмов с высоким корпусом, в то время как в среднем в год было около дюжины. В отличие от Эли Уитни , Терри производил свою продукцию без государственного финансирования. Терри увидел, что часы могут стать предметом домашнего обихода. С помощью фрезерного станка Терри смог произвести массовое производство часовых колес и пластин по несколько десятков одновременно. Для изготовления одинаковых шестерен использовались зажимные приспособления и шаблоны, так что все детали можно было собрать на сборочной линии .

North and Hall: успех в металле

Решающий шаг к взаимозаменяемости металлических деталей был сделан Симеоном Норт , работающим всего в нескольких милях от Эли Терри . Норт создал один из первых в мире настоящих фрезерных станков, который обрабатывал металл вручную с помощью напильника. Диана Мьюир считает, что фрезерный станок Норта был задействован примерно в 1816 году. Мьюир, Мерритт Роу Смит и Роберт Б. Гордон согласны с тем, что до 1832 года и Симеон Норт, и Джон Холл могли массово производить сложные машины с движущимися частями (оружием), используя Система, в которой использовались грубо кованые детали, с фрезерным станком, который фрезеровал детали до почти правильного размера, а затем «шлифовали вручную с помощью шаблонов для опиловки».

Историки расходятся во мнениях по поводу того, сделал ли Холл или Норт решающее улучшение. Меррит Роу Смит считает, что это сделал Холл. Мьюир демонстрирует тесные личные связи и профессиональные союзы между Симеоном Норт и соседними механиками, массово производящими деревянные часы, чтобы доказать, что процесс производства оружия со сменными частями, скорее всего, был разработан Норт в имитации успешных методов, используемых в массовом производстве часов. Возможно, вопрос не удастся решить с абсолютной уверенностью, если в будущем не появятся документы, которые сейчас неизвестны.

Конец 19-го и начало 20-го веков: распространение через производство

Опытные инженеры и машинисты, многие с оружейным опытом, распространение взаимозаменяемых технологиями производство в другие отрасли промышленности , включая американские часовщик и производитель швейных машин Wilcox и Гиббс и Уилер и Уилсон, которые использовали сменные детали перед 1860. Позднего принять сменный были Зингер швейной машины (1870), жатки производитель McCormick Уборочная машина Company (1870 - е-1880 - е годы) и несколько крупных производителей паровых двигателей , таких как Корлисс ( в середине 1880 - х годов), а также опорно - двигательного аппарата органов. Пишущие машинки последовали несколько лет спустя. Затем в 1880-х годах в крупномасштабном производстве велосипедов начали использовать сменные системы.

За эти десятилетия истинная взаимозаменяемость превратилась из редкого и трудного достижения в повседневную возможность во всех отраслях обрабатывающей промышленности. В 1950-х и 1960-х годах историки технологий расширили мировое понимание истории развития. Немногие люди, не относящиеся к этой академической дисциплине, хорошо разбирались в этой теме вплоть до 1980-х и 1990-х годов, когда академические знания начали находить более широкую аудиторию. Совсем недавно, в 1960-х годах, когда Альфред П. Слоан опубликовал свои знаменитые мемуары и трактат по менеджменту « Мои годы с General Motors» , даже давний президент и председатель крупнейшего производственного предприятия, которое когда-либо существовало, очень мало знал об истории развития. кроме того, чтобы сказать, что

[ Генри М. Леланд ], как я полагаю, был одним из тех, кто в основном отвечал за внедрение технологии сменных деталей в автомобилестроение. […] Мое внимание было обращено на то, что Эли Уитни задолго до этого начал разработку взаимозаменяемых деталей в связи с производством оружия, факт, который предполагает линию происхождения от Уитни до Лиланда и автомобильной промышленности.

Одной из наиболее известных книг по этой теме, которая была впервые опубликована в 1984 г. и вызвала у читателей не только академических кругов, была книга Дэвида А. Хауншелла « От американской системы к массовому производству, 1800–1932 годы: Развитие производственных технологий». в США .

Социально-экономический контекст

Принцип взаимозаменяемых частей процветал и развивался на протяжении 19 века и привел к массовому производству во многих отраслях промышленности. Он был основан на использовании шаблонов и других приспособлений и приспособлений , применяемых полуквалифицированными рабочими с использованием станков для расширения (а позже в значительной степени замены) традиционных ручных инструментов . В течение этого столетия необходимо было проделать большую работу по созданию манометров , измерительных инструментов (таких как штангенциркуль и микрометры ), стандартов (например, для винтовой резьбы ) и процессов (например, научного менеджмента ), но принцип взаимозаменяемости остался постоянный. С появлением в начале 20 века сборочной линии взаимозаменяемые детали стали повсеместным элементом производства.

Выборочная сборка

Взаимозаменяемость зависит от размеров деталей, находящихся в пределах допуска. Наиболее распространенным способом сборки является проектирование и производство, при котором, пока каждая деталь, которая достигает сборки, находится в пределах допуска, стыковка деталей может быть полностью случайной. Это имеет значение по всем причинам, уже обсуждавшимся ранее.

Существует еще один режим сборки, называемый «выборочная сборка», который отказывается от некоторых возможностей случайности в обмен на другое значение . Есть две основные области применения, которые получают экономическую выгоду от выборочной сборки: когда диапазоны допусков настолько узкие, что их невозможно надежно удерживать (что делает невозможным полную случайность); и когда диапазоны допусков могут быть надежно соблюдены, но подгонка и отделка окончательной сборки максимизируются за счет добровольного отказа от некоторой случайности (что делает ее доступной, но не в идеале желательной). В любом случае принцип выборочной сборки один и тот же: детали выбираются для стыковки, а не наугад. По мере проверки деталей они распределяются по отдельным ячейкам в зависимости от того, в какой конец диапазона они попадают (или нарушают). Попадание в верхнюю или нижнюю границу диапазона обычно называют тяжелым или легким ; нарушив высокий или низкий конец диапазона обычно называется быть припуск или заниженными . Примеры приведены ниже.

Френч и Вирк предоставляют описание выборочной сборки в один абзац, которое точно резюмирует концепцию.

Кто-то может спросить: если детали необходимо отбирать для стыковки, то что же отличает выборочную сборку от самых старых ремесленных методов? Но на самом деле разница существенная. Выборочная сборка просто разбивает детали на несколько диапазонов ; внутри каждого диапазона все еще существует случайная взаимозаменяемость. Это сильно отличается от старого метода подгонки, выполняемого мастером, когда каждый сопряженный набор деталей специально подбирается так, чтобы каждая деталь соответствовала определенному, уникальному аналогу.

Случайная сборка недоступна: детали большего и меньшего размера

В контекстах, где приложение требует чрезвычайно жестких (узких) диапазонов допусков, это требование может немного выйти за пределы возможностей механической обработки и других процессов (штамповка, прокатка, гибка и т. Д.) Оставаться в этом диапазоне. В таких случаях используется выборочная сборка, чтобы компенсировать отсутствие полной взаимозаменяемости между частями. Таким образом, для штифта, который должен иметь скользящую посадку в своем отверстии (свободную, но не неровную), размер может быть указан как 12,00 +0 -0,01 мм для штифта и 12,00 +,01 -0 для отверстия. Штифты, которые вышли большего размера (скажем, штифт диаметром 12,003 мм), не обязательно являются ломом , но их можно сопрягать только с аналогами, которые также вышли большего размера (скажем, отверстие диаметром 12,013 мм). То же самое справедливо и для затем соответствия под частями размера с под коллегами размера. В данном примере характерно то, что для применения этого продукта размер 12 мм не требует особой точности , но для достижения желаемой посадки между частями требуется хорошая точность (см. Статью о точности и точности ). Это позволяет производителям «немного обмануть» в отношении общей взаимозаменяемости, чтобы получить большую отдачу от производственных усилий за счет снижения уровня брака (процент брака). Это разумное инженерное решение, если приложение и контекст поддерживают его. Например, для машин, для которых в будущем не предполагается какое-либо обслуживание на месте с заменой деталей (а скорее всего лишь простая замена всего устройства), это имеет хороший экономический смысл. Это снижает удельную стоимость продукции и не препятствует дальнейшему обслуживанию.

Примером продукта, который может извлечь выгоду из этого подхода, может быть автомобильная трансмиссия, где нет никаких ожиданий, что выездной сервисный специалист отремонтирует старую трансмиссию; вместо этого он просто заменит новый. Следовательно, полная взаимозаменяемость узлов трансмиссий не требовалась абсолютно. В любом случае он был бы указан просто из общего принципа, за исключением определенного вала, для которого требовалась настолько высокая точность, чтобы вызывать большие неудобства и высокий процент брака в зоне шлифования, но для которого требовалась только приличная точность при условии, что посадка со своим отверстием было хорошо во всех случаях. Деньги можно было сэкономить, сохранив множество валов из мусорного ведра.

Экономические и коммерческие реалии

Примеры, подобные приведенному выше, не так распространены в реальной торговле, как могли бы быть, в основном из-за разделения задач , когда ожидается, что каждая часть сложной системы будет обеспечивать производительность, которая не делает никаких ограничивающих предположений о других частях системы. . В примере с автомобильной трансмиссией разделение интересов состоит в том, что отдельные фирмы и клиенты не допускают отсутствия свободы или выбора со стороны других участников цепочки поставок. Например, с точки зрения покупателя автомобиля, производитель автомобилей «не вправе» предполагать, что ни один механик по техническому обслуживанию никогда не отремонтирует старую трансмиссию вместо ее замены. Заказчик ожидает, что это решение будет сохранено для него, чтобы он мог принять его позже, в ремонтной мастерской, исходя из того, какой вариант для него дешевле в данный момент (полагая, что замена одного вала дешевле, чем замена всей трансмиссии). Эта логика не всегда верна в действительности; Возможно, для общей стоимости владения клиента было бы лучше заплатить более низкую начальную цену за автомобиль (особенно если услуга трансмиссии покрывается стандартной гарантией на 10 лет, и покупатель в любом случае намеревается заменить автомобиль до этого), чем заплатить более высокую начальную цену за автомобиль, но сохранить возможность полной взаимозаменяемости каждой последней гайки, болта и вала во всем автомобиле (когда это в любом случае не будет использоваться). Но коммерция, как правило, слишком хаотично многомерна, чтобы эта логика могла преобладать, поэтому полная взаимозаменяемость в конечном итоге определяется и достигается даже тогда, когда она добавляет расходы, которые были «ненужными» с целостного взгляда на коммерческую систему. Но этого можно избежать до тех пор, пока покупатели ощутят общую ценность (которую их разум может обнаружить и оценить) без необходимости понимать ее логический анализ. Таким образом, покупатели удивительно доступного автомобиля (удивительно низкая начальная цена), вероятно, никогда не будут жаловаться на то, что трансмиссия не подлежала обслуживанию в полевых условиях, если им самим никогда не приходилось платить за услуги трансмиссии в течение всего срока их владения. Производителю может быть важно понять этот анализ (даже если он упускается из виду для покупателя), потому что он может добиться для себя конкурентного преимущества на рынке, если он может точно предсказать, где «срезать углы» так, как это сделает покупатель. никогда не придется платить за. Таким образом, он мог снизить стоимость единицы трансмиссии. Однако он должен быть уверен в надежности используемых трансмиссий, поскольку их замена, на которую распространяется длительная гарантия, будет производиться за его счет.

Возможна произвольная сборка, но не в идеале: «легкие» и «тяжелые» детали.

Другая основная область применения выборочной сборки - это контексты, в которых фактически достигается полная взаимозаменяемость, но «подгонка и отделка» конечных продуктов может быть улучшена за счет минимизации несоответствия размеров между сопрягаемыми деталями. Рассмотрим другое приложение, подобное приведенному выше, с 12-миллиметровым штифтом. Но скажите, что в этом примере важна не только точность (для получения желаемой посадки), но также важна точность (потому что 12-миллиметровый штифт должен взаимодействовать с чем-то еще, что должно быть точно размером 12 мм). Некоторые выводы из этого примера заключаются в том, что процент отказов нельзя снизить; все детали должны находиться в пределах допуска, в противном случае их следует утилизировать. Таким образом, вы не сможете сэкономить на утилизации деталей большего или меньшего размера из металлолома. Тем не менее, от выборочной сборки все же есть одно преимущество: все сопряженные пары имеют как можно более близкую к идентичной скользящей посадке (в отличие от некоторых более плотных и более свободных - все скользящие, но с разным сопротивлением) .

Примером продукта, который может извлечь выгоду из этого подхода, может быть станок для инструментального цеха , где не только точность очень важна, но также подгонка и отделка.

Смотрите также

использованная литература

Библиография

дальнейшее чтение

внешние ссылки