Метал є основою промисловості, а металеві деталі незамінною частиною безлічі приладів та механізмів. Виготовлення металевих виробів має надзвичайно давню історію, проте найбільший розвиток металургійної промисловості припав на ХХ століття. Виготовлення металургійної продукції поділяється на два основних етапи: перший – отримання металевого сплаву з необхідним складом, другий – надання пластичному сплаву металів необхідної форми.
Оскільки в процесі виливання надати необхідну точну форму складним металевим деталям фактично неможливо, то наступним етапом продукції є механічна обробка металу. Існує декілька різновидів такої обробки металу: тиском, різанням, отримання фіксованих з’єднань: зварювання, пайка.
В основі обробки тиском використовується дія механічної деформації на структуру металу. Пресування, волочіння, прокатка, кування, об’ємне та листове штампування – основні види обробки металу тиском.
Створення нероз’ємних з’єднань металів здійснюється двома методами: пайка та зварювання. При пайці деталей використовують припій, який розплавляється розтікаючись між двома частинами виробу та застигаючи з’єднує їх. З’єднання пайкою не потребує розплавлення основного металу та дозволяє при потребі розпаювати різні частини деталі. Однак воно є менш надійним, аніж зварювання. Останнє дозволяє утворювати стійкий міжатомний зв’язок між частинами, застосовується широко в промисловості, зокрема машинобудуванні. Перевагою зварювання є значна економія металу та висока надійність такого з’єднання. Розрізняють зварювання тиском та плавленням.
Зварювання плавленням – утворення зварювальної ванни розплавлених металів та їх застигання із утворенням зварного шва. Широко застосовуються такі методи зварювання плавленням: дугове, електронно-променеве, лазерне, електрошлакове, газове.
Зварювання тиском передбачає підвищення пластичності металу в ділянці зварювання, дані зони деталей нагрівають та здавлюють. Відомі такі методи зварювання тиском: контактне, дифузійне, електро-звукове, тертям, вибухом та ін.
Завод виробник "Брацлав" надає послуги зварювання металів з використанням сучасних технологічних рішень, які дозволяють виконувати складання та зварку агрегатів вузлів, металоконструкцій вагою до 15 тон.
Обробка металу різанням – метод, що дозволяє створювати металеві вироби та деталі високої точності та складності.
Завод "Брацлав" пропонує декілька варіантів різки металу: плазмову, газову та із застосуванням стрічкової пили.
Механічна обробка металевих виробів також включає наступні види робіт:
Токарні – виточування деталей необхідної форми;
Свердлильні – отримання отворів необхідного діаметру;
Розточні – створення високоточних отворів в деталях складної геометричної форми;
Шліфувальні – абразивна обробка поверхонь для їх згладження;
Фрезерні – дозволяють створювати високоточні деталі;
Стругальні – дозволяють наносити на поверхню деталі необхідні насічки, надавати їй відповідної форми;
Зубообробні – застосовуються для створення та обробки зубчастих деталей;
Довбальні – як правило використовуються, для створення необхідних пазів в структурі деталі.
Історія розвитку машинобудування
Архімедів гвинт приводився в дію вручну і міг ефективно піднімати воду, як це демонструє на анімації червона кулька
Парова турбіна Герона
Модель візка із «немагнітним компасом», створена Ма Цзюнем (Музей науки в Лондоні)
Музичний «автомат» Аль-Джазарі
Рукопис Леонардо да Вінчі на виставці в Києві
Начала, у яких Ісаак Ньютон заклав основи класичної механіки
Письмові свідчення про перші кроки і здобутки в галузі створення і застосування машин і механізмів можна віднайти в архівах різних суспільств стародавнього світу та середньовіччя всього людства.
Роботи Архімеда (287—212 р. до н. е.) в Стародавній Греції[5] у галузі механіки значно вплинули на становлення і розвиток машинобудування. Герон Александрійський (бл. 10—70 р. н. е.) створив перший «паровий двигун» (Парова турбіна Герона). Перші аналогові обчислювальні пристрої були винайдені і застосовувалися ще до нашої ери. Найбільш відомим з них є астролябія, винайдена в Елліністичний період, приблизно, 150 років до н. е. Винахідник невідомий, хоча першість часто приписується Гіппарху. Більш складним і загадковим пристроєм є антикітерський механізм, який датується 70-ми роками до н. е., і який являє собою аналоговий обчислювальний пристрій для астрономічних обчислень, можливості якого до кінця ще не досліджені.
У Стародавньому Китаї префект міста і тодішньої префектури Наньян, інженер і винахідник Ду Ши у 31-му році нашої ери вперше застосував поступально-зворотний механізм із приводом від водяного колеса для приведення в дію міхів, що наддували повітря у домну для виплавляння чавуну.[6] Чжан Хен (78—139 н. е.) поліпшив водяний годинник і винайшов сейсмометр. Ма Цзюнь (200—265 н. е.) виготовив немагнітний компас у вигляді візка із диференціалами. Дерев'яна фігурка на візку постійно вказувала потрібний напрямок руху незалежно від траєкторії за рахунок з'єднання із колесами за допомогою диференціалів. Якщо траєкторія не змінювалась і візок рухався по прямій, то кутові швидкості коліс були однаковими і фігурка не рухалась. Якщо траєкторія руху починала змінюватися, змінювалися і кутові швидкості обертання коліс, що спричиняло повертання фігурки. Якщо візок рухався по колу, фігурка, обертаючись, вказувала на одну і ту ж точку. Середньовічний китайський годинникар та інженер Су Сун (1020—1101 н. е.) впровадив спусковий механізм у свій астрономічний годинник-башту за два століття раніше, від того, як такий спуск можна було віднайти в годинниках середньовічної Європи, а також, першу в світі ланцюгову передачу, відому як «нескінченний привод».[7] Бі Шен (990—1051), перший у світі у 1040-х роках винайшов прототип друкарського верстата із ручним набором порцелянових літер, а Ван Чжень (1290—1333), автор енциклопедичної праці «Нун шу», вдосконалив конструкцію та використав більш довговічні дерев'яні літери.[8]
У роки золотої доби ісламу, приблизно з 7-го до 15-го століття, значний внесок у розвиток технологій механіки та машинобудування зробили ісламські винахідники. У 1206 році Аль-Джазарі, який був одним з них, написав свою знамениту «Книгу знань про геніальні механічні пристрої», у якій представив багато механічних конструкцій. Його також вважають винахідником механічних елементів, які на даний час є основою таких поширених механізмів, як колінчастий і кулачковий вали.[9]
Неоціненний вклад у розвиток машинобудування, як галузі знань, виду інженерної діяльності та проєктування машин вніс найбільш визначний вчений, мислитель, літератор, художник, анатоміст, архітектор, винахідник та інженер епохи відродження Леонардо да Вінчі. Його винаходи та геніальні конструктивні передбачення набагато випередили епоху. До них належать ескізи проєктів ливарної печі, прокатного стану, ткацьких, деревообробних, та друкарських верстатів, підводного човна, танка, серії планерів, парашута та інших.
Важливі досягнення в галузі наукових основ машинобудування відбулися в Англії в 17 столітті, коли сер Ісаак Ньютон сформулював свої три закони Ньютона, розробив основи математичного аналізу та заклав фундамент теоретичних засад класичної фізики. Ньютон неохоче публікував свої методи і закони протягом багатьох років, але, врешті-решт, його переконали зробити це колеги, такі як сер Едмонд Галлей, який також оприлюднив свої праці на благо всього людства. Ґотфрід Лейбніц, якому приписують створення двійкової системи числення та механічного калькулятора (арифмометра), також зробив значний внесок у розвиток математичного аналізу та написав відомий трактат «Dynamica» з аналітичної механіки.
Промислова революція XVIII століття призвела до винаходів прядильної машини, ткацького верстата, парової машини, як універсального двигуна, та інших машин. Це спричинило необхідність «створення машин для виробництва машин» і започаткувало виникнення верстатобудування, як окремої галузі машинобудування, забезпечивши виробництво машин і двигунів, необхідних для приведення їх в дію.[10] У 1848 році Йоганн фон Ціммерманн (англ. Johann von Zimmermann) (1820—1901) заснував перший завод шліфувальних верстатів у Хемніці, Німеччина.
Перехід від мануфактури до машинного виробництва відкрив епоху великої машинної індустрії, ознаменував технічний переворот, поділ праці, виникнення нових професій та їх вузької спеціалізації і загальне ламання суспільних відносин.
Інженери-механіки почали об'єднуватися у спілки та товариства. Перше британське професійне товариство інженерів-механіків було засноване 1847 року як «Інституція інженерів-механіків» (англ. Institution of Mechanical Engineers (IMechE)), через тридцять років після цього британські інженери утворили таке ж професійне товариство — «Інституцію цивільних інженерів» (англ. Institution of Civil Engineers (ICE)).[11] 1880-го року в Сполучених Штатах було створене Американське товариство інженерів-механіків (англ. American Society of Mechanical Engineers (ASME)), яке стало третім таким професійним інженерним товариством, після «Американського товариства цивільних інженерів» (англ. American Society of Civil Engineers) (1852) і «Американського інституту гірничих інженерів» (англ. American Institute of Mining Engineers) (1871).
Першими навчальними закладами в Сполучених Штатах, які започаткували інженерну освіту в галузі машинобудування, були:
Військова академія Сполучених Штатів (англ. United States Military Academy) в 1817 році;
навчальний заклад, тепер відомий як Норвічський університет (англ. Norwich University) в 1819 році;
Політехнічний інститут Ренсселера (англ. Rensselaer Polytechnic Institute) в 1825 році.
Освіту в галузі машинобудування історично було засновано на міцному підґрунті в галузях математики і природничих наук.[12]
Машинобудування України виникло ще в середині XIX сторіччя. Наявність металу, вигідне транспортно-географічне розташування, висока концентрація сільськогосподарського виробництва сприяли розвитку важкого, транспортного і сільськогосподарського машинобудування.
Основними елементами розвитку сучасного машинобудування є вдосконалювання засобів виробництва, методів організації виробництва (наприклад використання технологій серійного й масового виготовлення), перехід до стандартизації, автоматизації й інформаційного забезпечення процесів.
В Україні до приєднання її до Болонського процесу освітньо-кваліфікаційними рівнями в галузі машинобудування були:
молодший спеціаліст;
інженер (інженер-механік, інженер-конструктор, інженер-технолог, інженер-енергетик, інженер-кошторисник);
кандидат технічних наук (після ухвалення Верховною Радою України 1 липня 2014 року Закону України «Про вищу освіту»[17] науковий ступінь «кандидата технічних наук» прирівнюється до наукового ступеня доктора філософії, як першого наукового ступеня).
доктор технічних наук.
Отриманню диплома «інженер» передували п'ятирічний курс навчання, переддипломна практика на виробництві, дипломне проєктування, під час якого студент розв'язував практичні інженерні задачі виробництва, на якому проходив практику, та захист дипломного проєкту. Дипломний проєкт міг включати результати науково-дослідницьких та дослідно-конструкторських робіт, які виконував, чи у виконанні яких брав участь студент, хоча це не було обов'язковим. Часто захист дипломного проєкту проходив на цьому ж виробництві або на споріднених виробництвах. На захисті могли бути присутніми та могли брати участь у процедурі захисту будь-які представники даного виробництва.
Після приєднання України до Болонського процесу освітньо-кваліфікаційними рівнями в галузі машинобудування є:
молодший бакалавр;
бакалавр;
магістр;
доктор філософії (перший науковий ступінь);
доктор технічних наук.
Приєднання українських навчальних закладів до болонського процесу передбачає перехідний період, протягом якого продовжують присвоєння освітньо-кваліфікаційного рівня «спеціаліст», присвоєння якого по завершенні цього періоду буде скасоване. Умови присвоєння даного кваліфікаційного рівня є аналогічними до умов присвоєння освітньо-кваліфікаційного рівня «інженер».
Здобуттю ступеня «бакалавр» передує чотирирічний курс навчання і державний іспит. Отриманню диплома «спеціаліст» передує річний курс навчання на базі здобутого освітнього рівня «бакалавр», переддипломна практика, дипломне проєктування і захист дипломного проєкту. Здобуттю ступеня «магістр» передують річний курс навчання на базі здобутих освітніх рівнів «бакалавр» чи «спеціаліст», магістерська науково-дослідницька практика, оформлення магістерської роботи та її захист.
Навчальні програми та предмети
Стандарти, встановлені агенціями з акредитації у кожній країні, призначені забезпечити однаковість матеріалу основоположних навчальних предметів у обсязі загальної підготовки, підвищувати ступінь компетентності серед інженерів-випускників, а також підтримувати довіру до інженерної професії в цілому. Інженерні навчальні програми, наприклад в США, які вимагаються Радою з акредитації «АВЕТ», повинні продемонструвати, що їхні студенти можуть працювати професійно як у галузі теплових, так і механічних систем".[18] Однак, предмети, які входять до навчальних програм, і вивчення яких вимагається від випускників, можуть відрізнятися від програми до програми. Університети та технічні інститути часто можуть об'єднувати декілька навчальних предметів у єдиний курс, або ж розділити один предмет між декількома курсами, залежно від наявних факультетів та від основних напрямків досліджень, які проводяться у навчальному закладі.
До основних навчальних предметів в галузі машинобудування, як правило, входять:
На додаток до основної навчальної програми з машинобудування, багато машинобудівних програм пропонують більш спеціалізовані програми і додаткові класи, такі як системи керування, робототехніка, транспорт і логістика, кріотехніка, паливні технології, автомобілебудування, біомеханіка, вібрації, оптики та інші, якщо для цих предметів відсутні окремі кафедри.[21]
Більшість машинобудівних програм, окрім цього, вимагають виконання різної кількості науково-дослідницьких та дослідно-конструкторських проєктів для набуття практичного досвіду вирішення таких проблем. У Сполучених Штатах вимоги пройти одне або декілька практичних стажувань у процесі навчання є загальними для студентів машинобудівних спеціальностей, хоча це не є типовим правилом для університетів. Ще одним із варіантів є кооперативна освіта. Майбутні трудові навички[22] проведення досліджень потребують участі у виконанні дослідницьких робіт, які підживлюють та стимулюють творчість студента.[23]
Ліцензування та сертифікація кваліфікаційного рівня інженерів
Інженери можуть звернутися за ліцензуванням (чи за сертифікацією свого кваліфікаційного рівня) до відповідних атестаційних комісій штатів, провінцій або національного уряду (залежно від держави). Мета цього процесу полягає у засвідченні того, що інженери володіють необхідними технічними знаннями, практичним досвідом і знаннями місцевої правової системи для здійснення інженерної діяльності на професійному рівні. Після ліцензування чи сертифікації інженеру присвоюють звання:
професійний інженер (у США, Канаді, Японії, Південній Кореї, Бангладеш і Південній Африці);
дипломований інженер (у Великій Британії, Ірландії, Індії, Німеччині та Зімбабве);
дипломований професійний інженер (в Австралії та Новій Зеландії);
європейський інженер (у більшості держав Європейського Союзу);
зареєстрований інженер або професійний інженер (в Філіппінах і у Пакистані).
Ліцензії, дипломи чи сертифікати дипломованих інженерів чи європейських інженерів — це не підтвердження досвіду їх практичної діяльності — це підтвердження їх кваліфікаційного рівня.
В різних державах вимоги до процедури ліцензування чи сертифікації можуть відрізнятися.
У США, щоб стати ліцензованим «професійним інженером» (англ. licensed Professional Engineer — PE), інженер повинен скласти комплексний іспит з «Основ інженерної діяльності» (англ. Fundamentals of Engineering — FE), пропрацювати, як мінімум, 4 роки як «інженер-інтерн» (англ. Engineering Intern — EI), чи «інженер-стажер» (англ. Engineer-in-Training — EIT) і скласти іспит з «Основних принципів та практики» (англ. Principles and Practice — PE) або з «Інженерної практики» (англ. Practicing Engineer — PE) чи «Інженерної професійної діяльності» (англ. Professional Engineer — PE). Вимоги та етапи цього процесу викладені «Національною радою експертів з інженерних наук та маркшейдерської справи» (англ. National Council of Examiners for Engineering and Surveying — NCEES),[24] яка складається з інженерних та маркшейдерських атестаційних комісій, що представляють усі штати і території США.
У Сполученому Королівстві Великої Британії та Північної Ірландії для того, щоб стати «дипломованим інженером-механіком» (англ. Chartered Mechanical Engineer — CEng), випускникам необхідно мати ступінь «бакалавра техніки» (англ. Bachelor of Engineering — BEng), плюс відповідний ступінь магістра, або комплексний ступінь магістра техніки (англ. Master of Engineering — MEng), як мінімум, 4 роки навчання в аспірантурі для досягнення компетентності в роботі, та звіт про розроблений кандидатом проєкт за обраною спеціальністю, рецензований «Інститутом інженерів-механіків» (англ. Institution of Mechanical Engineers — IMechE).[25] Повне позначення такого диплому виглядає як «C.Eng MIMechE». Диплом «C.Eng MIMechE» також може бути отриманий через «Асоційовану екзаменаційну комісію Лондонського Інституту City and Guilds» (англ. City and Guilds of London Institute).[26]
У більшості розвинених країн визначені інженерні задачі, такі, як проєктування мостів, електростанцій, і хімічних заводів, повинні бути затверджені професійним або дипломованим інженером. «Тільки інженер, який має ліцензію, може підготувати, підписати, оформити і представити технічні плани і креслення органам державної влади для офіційного затвердження, або для передання інженерних проєктів державним і приватним клієнтам».[27] Ця вимога може бути записана в законодавчих актах штату чи провінції, як, наприклад, «Інженерний Акт» у канадських провінціях Онтаріо чи Квебек.[28]
В інших країнах, таких як Австралія і Велика Британія, не існує такого законодавства. Однак, практично усі органи з підтвердження, незалежно від законодавства, дотримуються етичного кодексу, очікуючи, що всі члени будуть його дотримуватися, не ризикуючи бути виключеними.[28]
Сучасні інструменти інженера-механіка
Інтерфейс MathCAD
CAD-модель колінчастого вала
CAD-модель подвійного механічного ущільнення
3D-моделювання у системі КОМПАС-3D компанії АСКОН
Фрагмент електричного кола у редакторі схем OrCAD
Інтерфейс SprutCAM під час розроблення технологічного процесу
Більшість сучасних машинобудівних компаній, особливо в промислово розвинених країнах, та навчальні заклади, які навчають для них фахівців, включають у свої програми пакети чи системи прикладного програмного забезпечення, які реалізують методи і засоби:
автоматизації процесів випробувань, вимірювань, реєстрування і оброблення даних;
математичного аналізу і математичної статистики;
інженерних розрахунків і моделювання фізичних процесів під час виготовлення і експлуатації продукції (CAE);
автоматизованого проєктування, розрахунків, віртуальних випробувань, прогнозування і оптимізації характеристик і доведення продукції (CAD);
автоматизованого технологічного підготовлення виробництва продукції (CAM);
неперервної підтримки життєвого циклу продукції (CALS).
Програмне забезпечення, яке реалізує ці та інші методи, може забезпечити можливість виконання окремих задач чи груп задач, та/або бути універсальним інструментом як інженера-механіка, так і машинобудівних компаній.
Автоматизація процесів випробувань, вимірювань та реєстрування даних
Інженеру-механіку часто доводиться проводити випробування та вимірювання різних фізичних величин (напр., вага, сила, переміщення, швидкість, прискорення, деформація, тиск, температура, частота обертання тощо) і реєструвати процеси їх змінювання у часі. Зазвичай, виробники засобів випробувань та засобів вимірювальної техніки розробляють необхідне програмне забезпечення або вбудовані у засоби випробувань системи автоматизації, однак часто для полегшення цих процесів необхідно застосовувати або розробляти спеціалізовані програмні продукти. Найбільш універсальним програмним продуктом для вирішення таких задач є система LabVIEW. Вона дозволяє створити «віртуальні засоби випробувань», які в автоматичному чи в автоматизованому режимі будуть проводити усі необхідні випробування, вимірювання, реєстрацію та первинне оброблення зареєстрованих даних. Усі створені «віртуальні засоби випробувань» узгоджуються із датчиками чи із системами перетворення, нормалізації та комутації їх сигналів. Аналізування та остаточне оброблення зареєстрованих даних можна проводити як засобами LabVIEW, так із застосуванням стандартних програмних засобів чи програмних засобів користувача.
.png)