Рис. 1.1.37. Кузнечно-термический участок.
Кузнечно-слесарная мастерская автора размещается в деревянном строении площадью 6×6 м с односкатной крышей (фото 1.1.14). Внутри два помещения: сама кузница и кабинет для творческой работы и отдыха. На фото 1.1.15 показан интерьер кузницы: экспонаты кованых старинных изделий (фото 1.1.15 а), рабочий участок кузницы – виден угол горна, стуловые тиски, вешалка для молотков и столик для подкладного инструмента (фото 1.1.15 б). На стене – современные кузнечные изделия и полуфабрикаты. Рабочая наковальня – переносная, установлена на чурбане и, когда не используется, стоит у стены (на фото не видно).
В кузнице Евгения Машкова в «Русском подворье» в Измайлове были изготовлены уникальные кованые двери (фото 1.1.16), сказочные не только по оформлению, но и по технике исполнения.
На фото 1.1.17 кузнец Валентин Политковский – один из создателей Кузнечного музея в подмосковной Салтыковке и организатор кружка юных кузнецов – демонстрирует изделия из музея.
Архитектор А. Харькова – один из главных разработчиков Парка кузнецов – выполнила на срезе сучка дерева оригинальный «портрет» дома-музея (фото 1.1.18).
Вообще образ кузнеца во все времена был настолько колоритен, что многие великие скульпторы и художники делали его героем своих произведений. Всем известна скульптура В. Мухиной «Рабочий и колхозница» (фото 1.1.19), которую недавно отреставрировали в фирме «Биор» под руководством скульптора и главного реставратора Вадима Церковникова, установили на постаменте высотой 34,5 м. А высота скульптуры равна 24 м, таким образом символ СССР «Серп и Молот» виден с многих точек Москвы.
Другая уникальная скульптурная кузнечная композиция – «Перекуем мечи на орала» Евгения Викторовича Вучетича (фото 1.1.20), величайшего скульптора современности, создавшего ансамбль на Мамаевом кургане в Волгограде, – установлена у здания нового корпуса Третьяковской галереи, рядом с Центральным домом художника на Крымском валу.
На Раушской набережной на воротах бывшего завода пожарного оборудования установлены уникальные чугунные скульптуры «Кузнец» (фото 1.1.21) и «Литейщик», которые были отлиты на этом же заводе вначале XX в.
На фронтоне Политехнического музея, созданного в 1872 г. на основе первой в России политехнической выставки, можно увидеть символическую картину свободного труда с кузнецом на переднем плане и с пахарем немного в глубине.
Одежда кузнеца состоит из куртки, сшитой из плотной хлопчатобумажной ткани, брюк, ботинок или сапог, брезентовых или кожаных рукавиц, фартука и головного убора – шляпы, кепки, косынки (банданы) или просто лобной повязки. При этом надо помнить, что ботинки и сапоги должны иметь толстую кожаную подошву, а брюки – закрывать верх обуви. Куртка должна быть ниже талии и перекрывать пояс брюк. Нижних карманов на куртке лучше не делать. Все эти предосторожности нужны для того, чтобы уголек, окалина или кусочек раскаленного металла не попал в обувь, брюки, карман куртки или фартука. Сам фартук шьется из плотного брезента или из мягкой кожи. Спереди в районе живота делается большой карман для инструмента, а слева вверху – для карандаша, чертилки и т. п.
Кузнечное оборудование. По мере развития общества металл занимает все большее значение в деятельности человека. Возникает необходимость изготовлять из металла изделия и детали большой массы. Однако отковать эти детали при помощи ручных молотов уже не представляется возможным, и начинаются поиски «новых видов энергии и оборудования».
В V в. индийские мастера при ковке крупных изделий применяли тяжелые камни, которые поднимали несколько человек (рис. 1.1.38). Позднее тяжелые каменные или металлические бабы поднимали ремнем через блок (рис. 1.1.39), когда ремень отпускали, баба падала и деформировала горячий металл или дробила камни.
Рис. 1.1.38. Ковка железной Индийской колонны.
Рис. 1.1.39. Ковка на молоте с ремнем.
Начиная с XIV в. для привода различных машин и механизмов применяют водоналивные или, как их называли, водяные колеса. Первоначально они применялись для привода водяных мельниц, и строили их мастера-самоучки, талантливые изобретатели. Эти водяные колеса в зависимости от формы русла реки и мощности потока делались трех типов: верхнего боя (наливные), среднего боя и нижнего боя (подливные).
С XVI в. в России начинают строить «мельницы железцовые», т. е. использовать водяные колеса для молотов, обрабатывающих железо. Известно, что первый молот с водяным колесом для ковки железа – «самоков» – был установлен на р. Лахоме (близ р. Вычегды). Все работы по строительству плотин, водяных колес и самих молотов производили кузнецы без каких-либо чертежей и расчетов. Всю необходимую технологическую документацию мастер хранил в памяти, а секреты строительства передавались только самым близким людям.
Применение водяного колеса позволило создать механический рычажный молот, толчейное устройство, сверлильные и расточные станки и другие устройства с зубчатыми и цевочными передачами между вращающимися осями, в том числе пересекающимися под прямым углом.
В России на металлургических и железоделательных заводах наиболее широко использовался хвостовой молот, у которого мотовище продолжалось за ось вращения, образуя хвост. Молот поднимался под действием кулаков, сидящих на боевом валу. При сходе кулака с «хвоста» молот под действием кулака падал, деформируя заготовку, лежащую на наковальне. Сама наковальня устанавливалась на массивном деревянном (позднее металлическом) стуле-шаботе.
Для повышения эффективности удара в конструкциях хвостового молота использовалась деревянная упругая доска – отбой, которая пружинила и способствовала увеличению скорости опускания головы.
Хвостовые молоты совершали 30–200 ударов в минуту, а вес падающих частей (головы) достигал 20 пудов и более. Они использовались для всевозможных работ – от протяжки мелкосортного железа до ковки тяжелых якорей. Интересно отметить, что небольшой молот с головой массой 80 кг заменял 25–30 молотобойцев.
У некоторых народностей применялись очень простые молоты с ручным или ножным приводом. На упругом деревянном стержне подвешивался на канате тяжелый шар-баба. Раскачивая его (рукой или ногой), производили удар, а вверх баба поднималась вследствие упругости стержня. На рис. 1.1.40 представлены конструкции древних молотов с ручным приводом, а на рис. 1.1.41 показаны молоты с ножным управлением. В конструкции (а) удар молота получается в результате собственного веса бабы при отпущенной ножной педали, а подъем – при помощи нажатия на педаль и за счет жесткости верхнего упругого стержня. В конструкции (б) удар производится при нажатии на педаль.
Рис. 1.1.40. Старинные молоты с ручным приводом.
Рис. 1.1.41. Старинные молоты с ножным приводом.
На рис. 1.1.42 показан небольшой по размерам молот с ножным приводом, а на рис. 1.1.43 – оригинальная конструкция самодельного молота с ножным приводом.
Рис. 1.1.42. Молот с ножным приводом: 1 – молот; 2 – наковальня; 3 – стул; 4 – педаль; 5 – тяга; 6 – стойка; 7 – рычаг; 8 – вал; 9 – зажим рычага молота; 10 – зажимной винт; 11 – пружина; 12 – серьга.
Рис. 1.1.43. Рычажный молот с ножным приводом: 1 – стойка; 2 – пружина для подъема; 3 – упор пружинный; 4 – хомутик рычага; 5 – верхний боек (баба); 6 – серьга (4 шт.); 7 – основание (шабот); 8 – хомут; 9 – связи; 10 – тяга (2 шт.); 11 – педаль; 12 – труба с пружиной.
В 2008 г. в ГУМе устроили уникальную выставку, на которой были представлены многочисленные модели всевозможных изделий, сделанных по чертежам выдающегося инженера, мыслителя и художника XVI в. Леонардо да Винчи. Среди этих моделей был и эксцентриковой молот с ручным приводом, который возможно сделать своими руками.
Необходимо отметить, что при работе «в одну руку» многие кузнецы чувствуют, что им не хватает рук для одновременного держания молотка, заготовки и подкладного инструмента. Можно посоветовать способ, которым пользовались кузнецы-серповики при зубрении серпов. Заготовка (рис. 1.1.44, п. 1), вынутая из горна, подсовывается под кольцо из троса (п.5), которое под действием ножной педали (п. 4) прижимает ее к наковальне (п.2), установленной на подставке (п.3). В результате этого левая рука кузнеца освобождается от клещей, удерживающих заготовку, и может держать необходимый подкладной инструмент (зубило, гладилку и т. п.). Известный в Западной Европе кузнец и создатель уникальной кузнечной школы Альфред Хаберманн предложил для удержания заготовки на наковальне специальный прижим, вставляемый в наковальню (Фото 1.1.21).
Рис. 1.1.44. Приспособление для прижима заготовок: 1 – заготовка; 2 – наковальня; 3 – стул; 4 – педаль с пружиной, 5 – кольцо из троса.
В современных условиях, когда кузнецу приходится работать без молотобойцев, лучший помощник – пневматический молот.
Такой молот (рис. 1.1.45) состоит из рабочего цилиндра (п.8) с поршнем (п.7), штоком (п.6) и верхним бойком (п.5); компрессорного цилиндра (п.13) с поршнем (п.12); привода компрессорного цилиндра, состоящего из электродвигателя (п.18), ременной передачи (п.17), редуктора (п.16), кривошипного вала (п.15) и шатуна (п.14). Рабочий и компрессорный цилиндры соединены друг с другом верхним и нижним воздушными каналами с кранами управления (п.9–11). Краны поворачиваются с помощью рукоятки управления.
Рис. 1.1.45. Молот пневматический (а), рукоятки управления (б).
На молотах с массой падающих частей до 250 кг дополнительно к ручному управлению устанавливается педаль для ножного управления. Нижний боек (п.4) крепится к шаботу (п.2), установленному на фундаменте на деревянных брусьях (п.1). Детали молота крепятся в литой чугунной станине (п.19), а шабот фиксируется в окне станины с помощью деревянных клиньев (п.3). Принцип действия молота следующий. В исходном положении поршень (п. 7) занимает крайнее нижнее положение, поршень компрессора – крайнее верхнее. Верхний боек (п. 5) лежит на нижнем или на заготовке. При включении электродвигателя кривошипный вал (п. 15) начинает поворачиваться и перемещать поршень (п.12) компрессорного цилиндра вниз. Под поршнем компрессора воздух сжимается, через канал в нижнем кране (п. 9) попадает в нижнюю часть рабочего цилиндра и давит снизу вверх на рабочий поршень. В этот момент верхняя полость рабочего цилиндра через краны (п.10) и (п.11) соединяется с атмосферой, и, так как в нем нет избыточного давления, рабочий поршень начинает подниматься вверх. Когда поршень поднимается вверх, то над поршнем создается повышенное давление и подвижные части молота с ускорением двигаются вниз и наносят удары по заготовке.
Рассмотрим основные режимы работы пневматического молота: удержание бойка в верхнем положении, единичные удары, прижим заготовки к нижнему бойку, автоматические удары и холостой ход.
Удержание бойка в верхнем положении: рукоятка (п. 21) (рис. 1.1.45) ставится в положение I, рукоятка (п. 20) – в положение II. При этом ножная педаль (п. 22) будет находиться в горизонтальном положении. При этом верхние полости обеих цилиндров соединяются с атмосферой, а нижние друг с другом. Сжатый воздух из нижней полости компрессора постоянно поступает в нижнюю полость рабочего цилиндра, что и удерживает подвижные части молота в верхнем положении. Единичные удары: рукоятку (п. 20) ставят в положение I или II, а рукоятку (п. 21) быстро переводят из положения I в положение II и сразу же возвращают обратно. После удара боек снова поднимается вверх и остается в этом положении пока рукоятка (п. 21) находится в положении I.
Прижим заготовки: рукоятку (п. 20) ставят в положение I, рукоятку (п. 21) – в положение III. В этом положении верхняя полость компрессора и нижняя полость рабочего цилиндра соединяются с атмосферой, а сжатый воздух из нижней полости компрессора через специальные каналы постоянно подается в верхнюю полость, что обеспечивает прижим поковки между бойками. Избыточный сжатый воздух выбрасывается в атмосферу через предохранительный клапан, установленный в верхней полости рабочего цилиндра. Автоматические удары: рукоятку (п. 20) ставят в положение I или в положение II. При этом положении рукояток средний кран закрывает выход воздуха в атмосферу, верхний кран соединяет верхние полости цилиндров, а нижний – нижние. Силу ударов бойка при этом режиме работы регулируют рукояткой (п. 21); чем ближе рукоятка к положению II, тем сильнее удары. Холостой ход: рукоятки (п. 20) и (п. 21) ставят в положение I. При холостом ходе верхняя и нижняя полости компрессорного цилиндра соединяются с атмосферой и воздух без сопротивления постоянно выбрасывается наружу. Такой режим работы молота предохраняет компрессор от перегрева во время длительных пауз в работе. При холостом ходе верхний боек под действием своей тяжести опускается вниз и лежит на нижнем бойке. Перед включением электродвигателя ручки обязательно следует устанавливать на режим «холостого хода», а перед выключением – на режим «удержания бойка в верхнем положении». После остановки двигателя подвижные части молота под действием силы тяжести медленно опускаются вниз на нижний боек.
Рассмотрим, какие кузницы для изготовления художественных изделий наиболее функциональны в настоящее время. Лучше всего, чтобы кузница размещались в отдельном кирпичном или железобетонном здании. Изготовления крупных художественных изделий, таких как ворота, высокие ограды, балконные решетки и др., требует большого рабочего пространства. Помещение должно иметь широкие въездные ворота, высокие потолки, пол, выложенный металлическими плитками, хорошую вентиляцию и освещение. Горн в такой кузнице должны иметь два очага с хорошим поддувом и вытяжкой. Размеры столешницы горна должен быть примерно 1,5 × 2,5 м, чтобы на ней можно было разместить крупногабаритный элемент будущего кованого изделия. Рядом с горном по центру кузницы размещается одна большая стационарная наковальня со столиком для инструмента. Другие наковальни меньших размеров могут быть переносными и в нерабочем состоянии находиться у стены. Недалеко от горна должны размещаться (стационарно) стуловые тиски. Рядом с горном размещаются вешалки для инструмента и полки для подкладного инструмента, сменных штампов и всевозможных приспособлений. Около горна размещаются емкости с водой для охлаждения инструмента, закалки и отпуска изделий, бачок с маслом для воронения изделий; а также ящики с песком, лари для небольшого количества угля и дров и пр. По технике безопасности предусматривается, чтобы уголь, дрова и другие горючие материалы хранились в отдельном помещении. Пневматический молот устанавливают недалеко от горна, и в 2-х метрах от стен кузницы. Вокруг молота должно быть свободное пространство, достаточное для работы и обслуживания. Кроме этого, в центре кузницы должна размещаться большая (1,5 × 2 м) правильная плита толщиной 30–50 мм для правки и сборки крупногабаритных изделий.
Вдоль стен около окон размещают слесарные стеллажи со сверлильными, отрезными и заточными станками. Если позволяет площадь, то в кузнице можно установить небольшой токарный станок, гидравлический пресс и другое оборудование для накатки рельефа, гибки и скручивания заготовок. Для сварочных, покрасочных, сушильных и других работ необходимо оборудовать отдельные помещения. Кроме этого, в кузнице необходимо предусмотреть раздевалки, душевые и комнаты отдыха.
1.1.46 Участок художественной ковки.
План такой кузницы в масштабе (10 мм соответствует 1 метру) показан на рис. 1.1.46.
Кузница состоит из десяти участков: I – кузнечный, II – сварочный, III – чистки, IV – покраски и сушки, V – для складирования металла, VI – для складирования угля, VII – душевая, VIII – туалет, IX – раздевалка, X – компьютерная. Оборудование основное и вспомогательное: 1 – сушильный шкаф, 2 – камера для очистки дробью, 3 – сварочный пост, 4 – стеллаж для хранения кузнечного инструмента, 5 – сварочный агрегат, 6 – металл, 7 – пневматический молот, 8 – короб с углем, 9 – бачек с маслом, 10 – вентилятор, 11 – основная наковальня, 12 – горн с зонтом, 13 – ящик с песком, 14 – бачок с водой, 15 – малая наковальня, 16 – токарный станок, 17 – горизонтальный гидравлический пресс, 18 – стеллаж для инструмента, 19 – душ, 20 – унитаз, 21 – шкафчики для одежды, 22 – компьютер, 23 – диван, 24 – стеллаж для инструмента, 25 – установка для гибки, 26 – сверлильный станок, 27 – слесарный стол, 28 – тиски, 29 – ворота, 30 – правильная плита, 31 – отрезной станок, 32 – слесарный стол, 33 – точило, 34 – пресс-ножницы, 35 – стеллаж для инструмента, 36 – шкаф для одежды и инструмента, 37 – шкаф для спецодежды, 38 – шкаф для спецодежды и инструмента.
Установка молота на фундамент является очень ответственной операцией и должна проводиться опытными монтажниками. Размеры фундамента зависят от типоразмеров молотов, качества грунта, расположения уровня грунтовых вод и других местных условий. Так, молот с массой падающих частей (мпч) 80 кг устанавливается на бетонную подушку, толщиной 0,7 метра (рис. 1.1.47), а молот с мпч 160 кг устанавливаются на специальном бетонном фундаменте, армированном металлической сеткой. Размеры ямы под фундамент должны быть больше габаритных размеров основания молота на 500–800 мм, а центр молота, совпадающий с вертикальной осью рабочего цилиндра, должен располагаться на расстоянии 3700 мм от основных стен здания. При плотном грунте глубина фундамента обычно составляет 2000 мм. Для предупреждения массива фундамента от разрушения под действием ударов молота фундамент армируют в продольном и поперечном направлениях двумя рядами металлических сеток из стержней диаметром 8–10 мм с квадратными ячейками 15–20 мм. При заливке бетона необходимо оставлять колодцы глубиной 1450 мм и 450 мм для последующей установки крепежных шпилек для станины молота и для крепежных шпилек для электродвигателя, а также выемку для шабота (рис. 1.1.48). Для создания при работе молота эластичности на дно выемки шабота укладывают прокладку из толстого дубового бруса. Вначале устанавливают на деревянную прокладку шабот, проверяют горизонтальность нижнего бойка и высоту над уровнем пола. При этом необходимо следить, чтобы шабот располагался по центру отверстия в нижней части стойки молота, а рабочие и боковые грани верхнего и нижнего бойков полностью совпадали. После этого заливаются бетоном шпильки молота и электродвигателя. По окончании затвердевания цементного раствора производится затяжка фундаментных шпилек и закрепления шабота в отверстии станины при помощи дубовых клиньев. Контроль правильности взаимной установки шабота и станины по высоте производится с помощью специальной риски, нанесенной на штоке бабы молота. При положении бабы внизу, то есть когда верхний боек лежит на нижнем, риска не должна выходить ниже нижней кромки направляющей буксы. Для некоторой гарантии на случай осадки шабота или «подстрожки» бойков риска должна быть на 5–15 мм утоплена внутри буксы.