Obrabiarki

1200 p.n.e. Pierwsze znane użycie obrabiarki w Mykenach. O użyciu maszyny do obróbki np. metali szlachetnych, bursztynu, drewna, świadczy zachowane i odnalezione na Peloponezie naczynie z okresu kultury mykeńskiej.

700 p.n.e. Etruskowie używają obrabiarek do toczenia nie tylko miękkiego drewna, ale i kamienia. Z pomocą tej maszyny wykonywali misy, ozdoby do włosów, szlifowali koraliki z bursztynu, odnalezione w etruskich grobowcach we włoskiej miejscowości Tarquinia. Pierwsze znane nam tokarki były napędzane, jak koło garncarskie. Sznur nawinięty na wał był pociągany przez nożny pedał. Naciśnięcie i zwolnienie pedału wprawiało w ruch obrotowy umocowany na końcu element, który mógł być obrabiany narzędziem skrawającym.

300 p.n.e. Płaskorzeźba widoczna na ścianie grobowca arcykapłana Petosirisa (1) przedstawia rzemieślnika i jego pomocnika podczas obróbki kawałka drewna na tokarce z napędem sznurkowym. Z jednej strony siedział pomocnik, który na przemian pociągał za dwa końce sznurka nawiniętego na wał, umieszczony na dwóch łożyskach umożliwiających ruch obrotowy. Na końcu wału zamocowany był obrabiany przedmiot. Rzemieślnik dociskał narzędzie skrawające i obrabiał wirujący element.

1. Płaskorzeźba Petosirisa

III w. n.e. W rzymskiej prowincji Hierapolis we Frygii (Azja) wykorzystywano do cięcia marmuru piły, napędzane kołem wodnym. Ten przełomowy wynalazek okazał się bezcenny nie tylko do produkcji mąki, lecz pozwalał zastąpić siłę ludzkich mięśni lub zwierząt energią wodną. Co ciekawe, grecki inżynier Marek Aurelius Ammianos do cięcia kamienia zastosował dodatkowo napęd z kołem zamachowym i korbą. Mechanizm korbowy zastąpił popularny napęd za pomocą pedała. Dumny konstruktor kazał wyryć na płycie swojego sarkofagu rysunek innowacyjnego urządzenia i w ten sposób zapewnił sobie prawa autorskie do pierwszej obrabiarki kamienia z korbowodem.

2. Projekty Leonarda da Vinci

XII w. Koła wodne stosuje się powszechnie jako napęd obrabiarek: tokarek, wiertarek i szlifierek, co znacząco zwiększa wydajność urządzeń. Innym popularnym do XV/XVI w. rozwiązaniem były tokarki strunowe. Końce sznurka nawiniętego wokół wału przywiązywano z jednej strony do pedału, poruszanego nogą, zaś drugi koniec mocowano w sprężystej tyczki z drewna.

1480 Leonardo da Vinci (2) projektuje pierwsze nowoczesne obrabiarki - tokarki, wiertarki, walcarki, szlifierki, maszyny do gwintowania śrub. Dzięki przekładniom zębatym, napędom linowym i pasowym, powstały urządzenia o znacznie większej wydajności, pracujące w ruchu ciągłym.

1586 Jacques Besson, nadworny mistrz silników i fontann na dworze francuskiego króla Karola IX, skonstruował tokarkę z przekładniami, regulującymi prędkość obrotową (prototyp wrzeciennika), a także z dodatkowym osprzętem, jak element podtrzymujący nóż i przyrząd do nacinanie śrub stożkowych.

1710 Christopher Polhem ze Szwecji opracowuje śrubę pociągową, która zamienia ruch obrotowy na ruch postępowy i zapewnia napęd dla przesuwania części lub suportu obrabiarki.

1760 Anglicy, bracia Hiob i William Wyatt, opatentowali maszynę do pierwszej przemysłowej produkcji śrub. Urządzenie pozwalało wykonać 10 śrub na minutę.

1776 Angielski przemysłowiec John Wilkinson opracowuje precyzyjną wiertarkę/wytyczarkę (3) do produkcji cylindrów do maszyny parowej James’aWatta. Wynalazek Watta wymagał starannie wykonywanych elementów i wymusił rozwój obrabiarek. W 1830 r. elementy wykonywano z dokładnością do 1,6 mm, a wcześniej było to 12,7 mm.

3. Maszyna Johna Wilkinsona

1795 Pierwszą tokarkę do wycinania śrub skonstruował Anglik Henry Maudslay (4), zaś rok później podobne urządzenie zaprezentował amerykański wynalazca David Wilkinson. To jednak Maudslay został uznany za ojca technologii obrabiarek. Wynalazek Brytyjczyka, pierwsza w pełni metalowa tokarka z suportem krzyżowym napędzanym śrubą pociągową, co pozwalało na obróbkę tego tworzywa i precyzyjne nacinanie gwintów. Urządzenie zapoczątkowało wielkoprzemysłową produkcję śrub, a konstruktor założył własną fabrykę tokarek, napędzanych silnikiem parowym. W 1810 r. Maudslay zaprojektował urządzenie do toczenia śrub, a później kolejną tokarkę - wrzecionową.

4. Rekonstrukcja maszyny Henry'ego Maudslaya

1818 Amerykański inżynier Eli Whitney buduje pierwszą frezarkę (5), której posuw stołu odbywa się samoczynnie. Urządzenie zapewniało obrotowy ruch freza i jednocześnie automatycznie przesuwało stół, do którego montowano skrawany element.

5. Pierwsza frezarka Eli Whitneya

1835 Szkocki konstruktor broni palnej, Joseph Whitworth, projektuje suport z posuwem mechanicznym zarówno wzdłużnym i poprzecznym, aby precyzyjnie obrabiać i nacinać metal. Dzięki tej innowacji, wyroby z jego fabryki uznawano za wzór precyzji wykonania, a produkowany przez Whitwortha karabin jest uznawany za świetny przykład broni snajperskiej. Pięć lat później skonstruował też obrabiarkę do nacinania uzębień kół zębatych.

1839 Szwajcar Johann Georg Bodmer patentuje "pewne ulepszenia w maszynach, narzędziach lub urządzeniach do cięcia, strugania, toczenia, wiercenie, walcowanie metali i innych substancji". Wśród jego wynalazków znalazła się pierwsza tokarka karuzelowa z poziomym stołem (6). Pozwalała ona na obróbkę ciężkich i wielkich przedmiotów, nawet o masie 200 ton i średnicy ponad 24 metrów. Ważnym urządzeniem okazała się również precyzyjna wycinarka do kół zębatych.

6. Obrabiarka opatentowana przez Johanna Georga Bodmera

1845 Amerykanin Stephen Fitch konstruuje pierwowzór tokarki rewolwerowej. Wynalazca zastosował krzywki do zautomatyzowania posuwu i otwierania lub zamykania uchwytów tokarskich. A suport obrabiarki wyposażony jest w część obrotową (głowicę rewolwerową), do której można było zamocować jednocześnie kilka różnych narzędzi (do wiercenia, pogłębiania, rowkowania, odcinania, toczenia wzdłużnego), przesuwać je dzięki zębatce i korzystać z nich bez konieczności wymieniania.

1862 Amerykanin Joseph Brown opracowuje i rozpoczyna produkcję pierwszych frezarek uniwersalnych. Maszyny dawały możliwość swobodnego przemieszczania narzędzia względem przedmiotu, co pozwalało na obróbkę przedmiotów o nieregularnych, skomplikowanych kształtach.

1885 Amerykańska firma Norton patentuje i rozpoczyna produkcję szlifierek ze ściernicą tarczową. Autorem wynalezionej tarczy szlifierskiej był pracownik warsztatu Sven Pulson, a do jej wykonania użył szmergiel (skałę metamorficzną) zmieszany z gliną i wodą. Obrabiarka pozwalała wygładzić powierzchnie i niemal idealnie doprecyzować wymiar produkowanych elementów. Jednym z głównych klientów obrabiarek ściernych została fabryka samochodów Forda, dla której szlifierki do obrabiania dużych elementów projektował Charles Norton.

1896 Amerykański przedsiębiorca Edwin Fellows tworzy pierwszą obrabiarkę do kół zębatych, tzw. frezarkę obwiedniową. Urządzenie powstało do produkcji przekładni dla przemysłu motoryzacyjnego. I nie wymagało m.in. szablonów. Frez zębaty, który sam był zębatką z utwardzonymi krawędziami tnącymi, obracał się razem z obrabianym elementem. Proces ten nie wymagał pośredniego szablonu ani innego rodzaju mechanicznej prowadnicy do kształtowania koła zębatego.

1898 Amerykanie Frederick W. Taylor i Micah White wynajdują stal narzędziową szybkotnącą. Uzyskany przez nich stop był twardy, odporny na ścieranie i wysokie temperatury. Idealnie nadawał się da wiertła, noże lub frezy do obrabiarek i przyspieszał obróbkę skrawaniem 4 do 5 razy.

1925 Powstają ostrza narzędzi wykonane węglików spiekanych, uzyskanych metodą metalurgii proszków, a składających się głównie z węglika wolframu (ok. 65-95 proc.), węglików innych metali trudno topliwych. Uzyskane z tego materiału narzędzia skrawające są odporne na ścieranie i trwałe, co pozwala obrabiać szybciej i skrawać tak twarde materiały, jak hartowaną stal lub żeliwo białe. Węgliki spiekane są nadal powszechnie stosowane do wyrobu narzędzi.

1934 Amerykanie, bracia Robert i Ralph Greenlee, konstruktorzy innowacyjnych elementów mocujących do mebli, przygotowują pierwszą linię złożoną z obrabiarek, wyposażonych w przenośnik ręczny na wióry, a w 1935 r. pierwszą automatyczną linię obrabiarek z trzema stanowiskami.

1938 Rudolph F. Bannow wspólnie ze swoim przyjacielem, Magnusem Wahlstromem, zbudowali pierwszą kolumnową, pionową frezarkę. Ten uniwersalny model frezarki okazał się sukcesem komercyjnym. Urządzenie można było kupić niemal w każdym sklepie metalowym w USA.

1949-53 Na zlecenie Sił Powietrznych USA (USAF) powstała pierwsza obrabiarka numeryczna typu NC. Automat, zaprogramowana do wykonania tylko jednego ściśle określonego zadnia, wymyślił John T. Parsons wraz ze swoim pracownikiem Frankiem Stulene. Konstruktorzy wykorzystali maszynę liczącą i taśmę perforowaną do obliczeń, dzięki którym zdołano ustawić narzędzia maszyny idealnie do wytworzenia potrzebnego kształtu łukowych łopat silnika helikoptera. Tak sterowane urządzenie umożliwiało obróbkę w trzech osiach kartezjańskiego układu współrzędnych, co pozwalało osiągnąć nieosiągalną wcześniej precyzję. Poza obliczeniami, obrabiarkę NC nadal obsługiwał człowiek (7).

7. Jeden z wczesnych systemów obrabiarek numerycznych

1952 Richard Kegg, we współpracy z Massachusetts Institute of Technology, opracowuje pierwszą frezarkę NC, która miała pionowe wrzeciono, liniową interpolację 3D oraz kodowaną binarnie taśmę dziurkowaną.

1959 Aircraft Industries Association (AIA) i Air Material Command w bazie sił powietrznych Wright-Patterson prezentują pierwszy sterowany komputerowo system CNC i demonstrują jego zastosowanie w praktyce. Przy użyciu obrabiarki CNC wykonali aluminiową popielniczkę. Pierwsze obrabiarki tego typu miały niewiele możliwości. Technika była przez lata doskonalona.

Lata 70-te XX w. Komputer staje się jednostką wykonawczą dla systemów CNC. Do tamtej pory zastosowanie programowania miało mniej wygodny w użyciu charakter, np. do każdego zadania trzeba było od nowa przeprogramowywać system. CNC, czyli Computer Numerical Control, zaczęło funkcjonować w pełnym tego słowa znaczeniu. Komputer znacznie zwiększył funkcjonalność układów sterowania, co było główną przyczyną ich sukcesu. Obrabiarki CNC (8) na dobre wyeliminowały układy sterowane numerycznie.

8. Nowoczesna obrabiarka CNC

Rodzaje obrabiarek

I. Skrawające - obrabiarki kształtujące przedmiot przez oddzielanie nadmiaru materiału

• tokarki
  - wielonożowe 
  - kopiarki
  - półautomaty i automaty tokarskie
  - uchwytowe
  - kłowe
  - tarczowe
  - rewolwerowe
  - karuzelowe
  - zataczarki
• wiertarki
  - stołowe
  - kolumnowe
  - promieniowe
  - współrzędnościowe
  - wielowrzecionowe 
• frezarki
  - poziome
  - pionowe
• wiertarkofrezarki
• wytaczarki
• frezarkowytaczarki
• piły
• strugarki
• dłutownice
  - Fellowsa do kół zębatych
• przeciągarki
  - do otworów
  - do płaszczyzn
• szlifierki 
  - do płaszczyzn
  - do otworów
  - honownice
  - dogładzarki
  - docieraczki
  - polerki
• obrabiarki ultradźwiękowe

II. Do obróbki plastycznej - obrabiarki kształtujące przedmiot przez odkształcenie plastyczne materiału

• młoty mechaniczne 
• kuźniarki
• prasy
  - hydrauliczne
  - pneumatyczne
  - mimośrodowe
  - balansowe
  - kolanowe
• walcarki
• ciągarki
  - do drutów
  - do rur

III. Obrabiarki do obróbki elektroerozyjnej lub elektrochemicznej, kształtujące przedmiot przy wykorzystaniu zjawiska erozji elektrycznej lub chemicznej [1]

• elektrodrążarki IV. Wtryskarki

M. U.