Vyměnitelné díly - Interchangeable parts

Vyměnitelné části jsou části ( součásti ), které jsou pro praktické účely totožné. Jsou vyrobeny podle specifikací, které zajišťují, že jsou tak téměř identické, že se vejdou do jakékoli sestavy stejného typu. Jedna taková část může volně nahradit jinou, bez jakéhokoli vlastního přizpůsobení, jako je podání . Tato zaměnitelnost umožňuje snadnou montáž nových zařízení a snazší opravu stávajících zařízení a zároveň minimalizuje čas i dovednosti potřebné pro osobu provádějící montáž nebo opravu.

Koncept zaměnitelnosti byl zásadní pro zavedení montážní linky na začátku 20. století a stal se důležitým prvkem některé moderní výroby, ale v jiných důležitých průmyslových odvětvích chybí.

Záměnnost dílů bylo dosaženo kombinací řadu novinek a vylepšení v obráběcích operací a vynález několika obráběcích strojů , jako je saní soustruh , obráběčky , Revolverový soustruh , frézka a kovový hoblík . Mezi další inovace patřily přípravky pro vedení obráběcích strojů, přípravky pro držení obrobku ve správné poloze a bloky a měřidla pro kontrolu přesnosti hotových dílů. Elektrifikace umožnila pohánět jednotlivé obráběcí stroje elektrickými motory, což eliminovalo pohony liniových hřídelů z parních strojů nebo vodní energie a umožnilo vyšší rychlosti, což umožnilo moderní velkovýrobu. Moderní obráběcí stroje mají často numerické řízení (NC), které se vyvinulo v CNC (počítačové číselné řízení), když byly k dispozici mikroprocesory.

Metody průmyslové výroby vyměnitelných dílů ve Spojených státech byly poprvé vyvinuty v devatenáctém století. V té době se na ně někdy na rozdíl od dřívějších metod používal termín americký systém výroby . Během několika desetiletí byly tyto metody používány v různých zemích, takže americký systém je nyní spíše historickým odkazem než současnou průmyslovou nomenklaturou.

První použití

Důkazy o používání vyměnitelných dílů lze vysledovat přes dva tisíce let až do Kartága v první punské válce . Kartáginské lodě měly standardizované, zaměnitelné části, které dokonce obsahovaly pokyny pro montáž podobné „záložce A do slotu B“.

Ve východní Asii , během období Válčících států a později dynastie Čchin , byly sériově vyráběny bronzové kuše a zajišťovací mechanismy, které byly zaměnitelné.

Počátky moderního konceptu

Na konci 18. století, francouzský generál Jean-Baptiste Vaquette de Gribeauval podporoval standardizované zbraně v čem stal se známý jako Système Gribeauval poté, co byl vydán jako královský řád v roce 1765. (Jeho zaměření v té době bylo dělostřelectvo více než muškety nebo ruční zbraně . ) Jedním z úspěchů systému bylo to, že pevná litá děla se nudila přesnými tolerancemi, což umožňovalo, aby stěny byly tenčí než děla litá dutými jádry. Protože však jádra byla často mimo střed, tloušťka stěny určovala velikost otvoru. Standardizované vyvrtávání umožňovalo, aby byla děla kratší, aniž by byla obětována přesnost a dostřel, kvůli těsnějšímu uložení nábojů . To také umožnilo standardizaci skořepin.

Před 18. stoletím byla zařízení, jako jsou zbraně, vyráběna po jednom zbrojaři unikátním způsobem. Pokud jedna jediná součást střelné zbraně potřebovala výměnu, musela být celá střelná zbraň zaslána odbornému zbrojnoši na vlastní opravu, nebo vyřazena a nahrazena jinou střelnou zbraní. V průběhu 18. a počátku 19. století se postupně rozvíjela myšlenka nahradit tyto metody systémem zaměnitelné výroby. Vývoj trval desítky let a zapojil mnoho lidí.

Gribeauval poskytl záštitu Honoré Blancovi , který se pokusil implementovat Système Gribeauval na úrovni muškety. Kolem roku 1778 začal Honoré Blanc vyrábět některé z prvních střelných zbraní s vyměnitelnými pazourkovými zámky, přestože byly pečlivě vyrobeny řemeslníky. Blanc před výborem vědců předvedl, že jeho muškety mohly být vybaveny pazourkovými zámky náhodně vybranými z hromady dílů.

Muškety s vyměnitelnými zámky upoutaly pozornost Thomase Jeffersona úsilím Honoré Blanca, když byl Jefferson v roce 1785 velvyslancem ve Francii. Jefferson se pokusil přesvědčit Blanca, aby se přestěhoval do Ameriky, ale nebyl úspěšný, a tak napsal americkému ministrovi války s tuto myšlenku, a když se vrátil do USA, pracoval na financování jejího rozvoje. Prezident George Washington tuto myšlenku schválil a do roku 1798 byla Eli Eli Whitney vydána smlouva na 12 000 mušket postavených podle nového systému.

Louis de Tousard , který uprchl z francouzské revoluce, se v roce 1795 připojil k americkému sboru dělostřelců a napsal vlivný dělostřelecký manuál, který zdůraznil význam standardizace.

Implementace

Řada vynálezců se začala snažit implementovat princip, který Blanc popsal. Vývoj požadovaných obráběcích strojů a výrobních postupů by byl pro americké ministerstvo pro arzenál velkým nákladem a při snaze dosáhnout zaměnitelnosti se výroba střelných zbraní po několik let prodražovala. V roce 1853 existovaly důkazy, že vyměnitelné části, které tehdy zdokonalily federální zbrojnice, vedly k úsporám. Oddělení arzenálu volně sdílelo použité techniky s externími dodavateli.

Eli Whitney a raný pokus

V USA viděl Eli Whitney potenciální přínos vývoje „vyměnitelných dílů“ pro střelné zbraně americké armády. V červenci 1801 sestrojil deset děl, z nichž všechny obsahovaly stejné přesné díly a mechanismy, poté je rozebral před Kongresem USA . Díly umístil do smíšené hromádky a s pomocí znovu sestavil všechny střelné zbraně před Kongresem, stejně jako to udělal Blanc před několika lety.

Kongres byl uchvácen a nařídil standard pro veškeré vybavení USA. Použití vyměnitelných dílů odstranilo problémy dřívějších dob týkajících se obtížnosti nebo nemožnosti výroby nových dílů pro staré vybavení. Pokud jedna část střelné zbraně selhala, bylo možné objednat další a střelnou zbraň nebylo třeba odhodit. Háček byl v tom, že Whitneyiny zbraně byly drahé a ručně vyráběné kvalifikovanými dělníky.

Charles Fitch připsal Whitneymu úspěšné provedení smlouvy o střelných zbraních s výměnnými díly pomocí amerického systému , ale historici Merritt Roe Smith a Robert B. Gordon od té doby zjistili, že Whitney ve skutečnosti nikdy nedosáhla výroby vyměnitelných dílů. Zbraně jeho rodiny to však po jeho smrti učinily.

Brunelovy plachetnice

Kladkový blok pro lanoví na plachetnici

Hromadné výroby s použitím vyměnitelných dílů poprvé dosáhl v roce 1803 Marc Isambard Brunel ve spolupráci s Henrym Maudslayem a Simonem Goodrichem pod vedením (a za přispění) brigádního generála sira Samuela Benthama , generálního inspektora námořních prací v Portsmouthu Block Mills , Portsmouth Dockyard , Hampshire , Anglie. V té době byla napoleonská válka na vrcholu a královské námořnictvo bylo ve stavu expanze, která vyžadovala výrobu 100 000 kladkových bloků ročně. Bentham již dosáhl pozoruhodné účinnosti v docích zavedením strojního pohonu a reorganizací systému loděnice.

Marc Brunel, průkopnický inženýr a Maudslay, zakladatel technologie obráběcích strojů, který v roce 1800 vyvinul první průmyslově praktický soustruh na řezání šroubů, který poprvé standardizoval velikosti závitů závitů , spolupracoval na plánech výroby blokových strojů; návrh byl předložen admiralitě, která souhlasila s uvedením jeho služeb do provozu. V roce 1805 byla loděnice plně aktualizována o revoluční účelové strojní zařízení v době, kdy byly výrobky stále stavěny jednotlivě s různými součástmi. K provedení 22 procesů na blocích, které bylo možné vyrobit ve třech různých velikostech, bylo zapotřebí celkem 45 strojů. Stroje byly téměř výhradně vyrobeny z kovu, čímž se zlepšila jejich přesnost a trvanlivost. Stroje by na blocích provedly značení a zářezy, aby bylo zajištěno zarovnání v celém procesu. Jednou z mnoha výhod této nové metody bylo zvýšení produktivity práce díky méně náročným pracovním požadavkům na řízení strojů. Richard Beamish, asistent Brunelova syna a inženýra, Isambard Kingdom Brunel , napsal:

Aby deset mužů pomocí této mašinerie dokázalo s uniformitou, klidem a lehkostí dosáhnout toho, co dříve vyžadovalo nejistou práci sto deset.

V roce 1808 dosáhla roční produkce 130 000 bloků a některé zařízení bylo stále v provozu až do poloviny dvacátého století.

Terryho hodiny: úspěch ve dřevě

Dřevěná převodovka z jednoho z vysokých hodin Terryho pouzdra ukazující použití vyfrézovaných zubů.

Eli Terry používal výměnné díly na frézce již v roce 1800. Ward Francillon, horolog ve studii došel k závěru, že Terry již provedl výměnné díly již v roce 1800. Studie zkoumala několik Terryho hodin vyrobených v letech 1800–1807. Díly byly označeny a vyměněny podle potřeby. Studie dospěla k závěru, že všechny hodiny byly zaměnitelné. Úplně první sériovou výrobou využívající vyměnitelné díly v Americe byla Eli Terryho 1806 Porter Contract, která požadovala výrobu 4000 hodin za tři roky. Během této smlouvy vytvořil Terry čtyřtisícové pohyblivé skříně s vysokou převodovkou v době, kdy byl roční průměr asi tucet. Na rozdíl od Eli Whitney vyráběl Terry své výrobky bez vládního financování. Terry viděl potenciál hodin stát se domácím předmětem. S použitím frézky mohl Terry hromadně vyrábět hodinová kola a desky několik desítek současně. Přípravky a šablony byly použity k výrobě jednotných pastorků, takže všechny díly bylo možné sestavit pomocí montážní linky .

North and Hall: úspěch v metalu

Zásadní krok směrem k zaměnitelnosti kovových částí provedl Simeon North , který pracoval jen několik mil od Eli Terry . Společnost North vytvořila jednu z prvních skutečných frézek na světě, které provádějí tvarování kovů, které bylo ručně prováděno pilníkem. Diana Muir věří, že Northův frézovací stroj byl online kolem roku 1816. Muir, Merritt Roe Smith a Robert B. Gordon se shodují, že před rokem 1832 byli Simeon North i John Hall schopni hromadně vyrábět složité stroje s pohyblivými částmi (zbraněmi) pomocí systém, který zahrnoval použití dílů kovaných pro hrubé kování, s frézou, která frézovala díly na téměř správnou velikost, a které se pak „ručně ukládaly do gage pomocí pilníkových přípravků“.

Historici se rozcházejí v otázce, zda zásadní zlepšení učinil Hall nebo North. Merrit Roe Smith věří, že to udělal Hall. Muir demonstruje úzké osobní vazby a profesionální spojenectví mezi Simeon North a sousedními mechanickými masovými dřevěnými hodinami, aby argumentoval, že proces výroby zbraní s vyměnitelnými částmi byl s největší pravděpodobností navržen společností North v emulaci úspěšných metod používaných v hromadně vyráběných hodinách. Je možné, že otázku nebude možné vyřešit s naprostou jistotou, pokud by se v budoucnu neměly objevit nyní neznámé dokumenty.

Konec 19. a počátek 20. století: šíření po celé výrobě

Kvalifikovaní inženýři a strojníci, mnozí se zbrojařskými zkušenostmi, rozšířili vyměnitelné výrobní postupy do dalších amerických průmyslových odvětví, včetně hodinářů a výrobců šicích strojů Wilcox a Gibbs a Wheeler a Wilson, kteří používali vyměnitelné díly před rokem 1860. Pozdním přijetím výměnného systému byl šicí stroj Singer Corporation (1870), sekačka výrobce McCormick Sklizeň Machine Company (1870s-1880s) a několik velkých výrobců parních strojů, jako Corliss (polovina 1880), stejně jako lokomotiva tvůrci. Psací stroje následovaly o několik let později. V osmdesátých letech 19. století začala ve velkém vyrábět jízdní kola zaměnitelný systém.

Během těchto desetiletí se skutečná zaměnitelnost rozrostla z omezeného a obtížného úspěchu na každodenní schopnost celého zpracovatelského průmyslu. V 50. a 60. letech 20. století historici technologie rozšířili světovou představu o historii vývoje. Jen málo lidí mimo tuto akademickou disciplínu o tomto tématu vědělo až do 80. a 90. let minulého století, kdy akademické znalosti začaly nalézat širší publikum. Ještě v šedesátých letech minulého století, kdy Alfred P. Sloan vydal svou slavnou monografii a pojednání o managementu, My Years with General Motors , dokonce i dlouholetý prezident a předseda největšího výrobního podniku, který kdy existoval, věděl o historii vývoje velmi málo, než abych to řekl

[ Henry M. Leland byl], domnívám se, jeden z těch, kteří byli zodpovědní hlavně za zavedení techniky vyměnitelných dílů do automobilové výroby. […] Bylo mi řečeno, že Eli Whitney, již dlouho předtím, zahájil vývoj vyměnitelných dílů v souvislosti s výrobou zbraní, což je skutečnost, která naznačuje linii sestupu z Whitney do Lelandu do automobilového průmyslu.

Jednou ze známějších knih na toto téma, která byla poprvé vydána v roce 1984 a těší se četnosti mimo akademickou obec, je David A. Hounshell 's From the American System to Mass Production, 1800–1932: The Development of Manufacturing Technology ve Spojených státech .

Socioekonomický kontext

Princip výměnných dílů vzkvétal a rozvíjel se v průběhu 19. století a vedl k masové výrobě v mnoha průmyslových odvětvích. Vycházela z použití šablon a jiných přípravků a přípravků , aplikovaných polokvalifikovanou prací pomocí obráběcích strojů k rozšíření (a později do značné míry nahrazení) tradičních ručních nástrojů . V průběhu tohoto století bylo třeba vyvinout mnoho práce na vývoji měřidel , měřicích nástrojů (jako jsou posuvná měřítka a mikrometry ), standardů (jako jsou ty pro závitové závity ) a procesů (jako je vědecké řízení ), ale princip zaměnitelnosti zůstal konstantní. Se zavedením montážní linky na počátku 20. století se z vyměnitelných dílů staly všudypřítomné prvky výroby.

Selektivní montáž

Zaměnitelnost závisí na rozměrech dílů spadajících do rozsahu tolerance. Nejběžnějším způsobem montáže je navrhnout a vyrobit tak, aby, pokud je každá součást, která dosáhne sestavy, v toleranci, mohlo být spojování částí zcela náhodné. To má hodnotu ze všech důvodů, které již byly diskutovány dříve.

Existuje další způsob sestavování, nazývaný „selektivní sestavení“, který se vzdává některých schopností náhodnosti při kompromisu za jinou hodnotu . Existují dvě hlavní oblasti použití, které ekonomicky těží ze selektivní montáže: když jsou rozsahy tolerancí tak těsné, že je nelze zcela spolehlivě udržet (takže celková náhodnost není k dispozici); a když lze spolehlivě udržovat rozsahy tolerancí, ale přizpůsobení a dokončení finální sestavy se maximalizuje dobrovolným vzdáním se části nahodilosti (což ji činí dostupnou, ale ne ideálně žádoucí). V obou případech je princip selektivní montáže stejný: díly jsou vybírány pro párování, místo aby byly spojovány náhodně. Při kontrole dílů jsou tříděny do samostatných přihrádek podle toho, na jaký konec rozsahu spadají (nebo porušují). Spadat do horního nebo dolního konce rozsahu se obvykle nazývá těžké nebo lehké ; porušení horního nebo dolního konce rozsahu se obvykle nazývá nadměrné nebo poddimenzované . Příklady jsou uvedeny níže.

French a Vierck poskytují jeden odstavec popisu selektivní montáže, který výstižně shrnuje koncept.

Někdo by se mohl ptát, jestli musí být pro párování vybrány díly, čím se tedy selektivní montáž liší od nejstarších řemeslných metod? Ale ve skutečnosti je tu podstatný rozdíl. Selektivní montáž pouze třídí součásti do několika rozsahů ; v každém rozsahu stále existuje náhodná zaměnitelnost. To se zcela liší od staršího způsobu montáže řemeslníka, kde každá propojená sada dílů je specificky uložena tak, aby odpovídala každému dílu s konkrétním, jedinečným protějškem.

Náhodná montáž není k dispozici: nadměrné a poddimenzované díly

V kontextech, kde aplikace vyžaduje extrémně těsné (úzké) rozsahy tolerancí, může požadavek mírně přesáhnout hranici schopnosti obráběcích a jiných procesů (lisování, válcování, ohýbání atd.) Zůstat v rozsahu. V takových případech se selektivní sestava používá ke kompenzaci nedostatku úplné zaměnitelnosti mezi součástmi. Pro kolík, který musí mít kluzný tvar ve svém otvoru (volný, ale ne nedbalý), může být rozměr specifikován jako 12,00 +0 - 0,01 mm pro čep a 12,00 +0,01 - 0 pro otvor. Piny, které vyšly nadměrně (řekněme kolík o průměru 12,003 mm), nemusí být nutně šrot , ale mohou být spojeny pouze s protějšky, které také vyšly nadměrně (řekněme otvor na 12,013 mm). Totéž pak platí pro odpovídající podle velikostních částí se podle velikosti protějšky. V tomto příkladu je inherentní, že pro aplikaci tohoto produktu nevyžaduje rozměr 12 mm extrémní přesnost , ale požadované zapadnutí mezi díly vyžaduje dobrou přesnost (viz článek o přesnosti a přesnosti ). To umožňuje výrobcům „trochu podvádět“ celkovou zaměnitelnost, aby získali větší hodnotu z výrobního úsilí snížením míry odmítnutí (rychlosti šrotu). Toto je správné technické rozhodnutí, pokud to aplikace a kontext podporují. Například u strojů, u nichž není v úmyslu jakákoli budoucí terénní služba povahy nahrazující součásti (ale spíše pouze jednoduchá výměna celé jednotky), to dává dobrý ekonomický smysl. Snižuje jednotkové náklady na výrobky a nebrání budoucí servisní činnosti.

Příkladem produktu, který by mohl mít prospěch z tohoto přístupu, může být automobilová převodovka, kde se neočekává, že osoba v terénu opraví starou převodovku; místo toho jednoduše vymění nový. Celková zaměnitelnost proto nebyla u sestav uvnitř převodovek absolutně požadována. Bylo by to každopádně specifikováno, jednoduše na obecném principu, až na určitý hřídel, který vyžadoval přesnost tak vysokou, že způsoboval velké obtěžování a vysokou rychlost zmetku v oblasti broušení, ale pro kterou byla vyžadována pouze slušná přesnost, pokud se s jeho otvorem bylo dobré v každém případě. Peníze lze ušetřit uložením mnoha šachet ze šrotu.

Ekonomická a obchodní realita

Příklady, jako je ten výše, nejsou ve skutečném obchodu tak běžné, jak by si představovali, většinou kvůli oddělení obav , kdy se od každé části komplexního systému očekává výkon, který nevytváří žádné omezující předpoklady o jiných částech systému . V případě automobilových přenosů je oddělením obav to, aby jednotlivé firmy a zákazníci nepřijímali nedostatek svobody nebo možnosti od ostatních v dodavatelském řetězci. Například podle názoru kupujícího automobilu výrobce automobilu „nemá svá práva“ předpokládat, že žádný mechanik v terénu opraví starou převodovku místo její výměny. Zákazník očekává, že toto rozhodnutí bude zachováno pro něj později v opravně, na základě toho, která možnost je pro něj v té době levnější (zjištění, že výměna jednoho hřídele je levnější než výměna celého převodu). Tato logika není vždy platná ve skutečnosti; pro celkové náklady na vlastnictví zákazníka by mohlo být lepší zaplatit za auto nižší počáteční cenu (zvláště pokud je na přenosovou službu poskytována standardní záruka po dobu 10 let a kupující hodlá vůz do té doby stejně vyměnit) než zaplatit vyšší počáteční cenu za auto, ale zachovat možnost úplné zaměnitelnosti každé poslední matice, šroubu a hřídele v celém voze (když to stejně nebude využíváno). Komerce je ale obecně příliš chaoticky multivariační, než aby tato logika zvítězila, takže celková zaměnitelnost je nakonec specifikována a dosažena, i když přidává náklady, které byly z holistického pohledu na komerční systém „zbytečné“. Tomu se však lze vyhnout do té míry, že zákazníci pocítí celkovou hodnotu (kterou jejich mysl dokáže zjistit a ocenit), aniž by museli rozumět její logické analýze. Kupující úžasně dostupného automobilu (překvapivě nízká počáteční cena) si tedy pravděpodobně nikdy nebudou stěžovat, že převodovka nebyla provozovatelná v terénu, pokud sami nikdy nemuseli platit za přenosovou službu po dobu životnosti svého vlastnictví. Tato analýza může být důležitá pro to, aby ji výrobce pochopil (i když je pro zákazníka ztracena), protože si dokáže na trhu vyřezat konkurenční výhodu, pokud dokáže přesně předpovědět, kde „odstřihnout“ způsobem, který zákazník nikdy nemusíte platit. Mohl si tak dát nižší náklady na přenosovou jednotku. Když to však udělá, musí si být jistý, že přenosy, které používá, jsou spolehlivé, protože jejich výměna, na kterou se vztahuje dlouhá záruka, bude na jeho náklady.

K dispozici je náhodná montáž, ale není ideálně žádoucí: „lehké“ a „těžké“ díly

Další hlavní oblast použití pro selektivní montáž je v kontextech, kde je ve skutečnosti dosaženo úplné zaměnitelnosti, ale „přizpůsobení a dokončení“ konečných produktů lze zlepšit minimalizací rozměrového nesouladu mezi protilehlými částmi. Zvažte jinou aplikaci podobnou té výše uvedené s kolíkem 12 mm. Ale řekněte, že v tomto příkladu je důležitá nejen přesnost (aby se dosáhlo požadovaného uložení), ale také přesnost (protože kolík 12 mm musí interagovat s něčím jiným, co bude muset být přesně dimenzováno na 12 mm). Některé z důsledků tohoto příkladu jsou, že míru odmítnutí nelze snížit; všechny části musí spadat do tolerančního rozsahu nebo musí být sešrotovány. Nelze tedy ušetřit na záchraně nadměrných nebo poddimenzovaných dílů ze šrotu. Nicméně, tam je ještě jeden bit hodnotu, aby se měl z selektivní montáži: mají všechny párované dvojice mají co nejblíže k identickým posuvným uložením, jak je to možné (na rozdíl od některých těsnější lícování a některé volnější řešení pro všechny posuvné, ale s různou odolností) .

Příkladem produktu, který by mohl mít prospěch z tohoto přístupu by mohlo být nástrojárna -grade obráběcích strojů , kde je nejen přesnost velmi důležité, ale také fit a konec.

Viz také

Reference

Bibliografie

Další čtení

externí odkazy