|
В статье описаны различные технологии изготовления ключей для механических замков. Авторы старались придерживаться хронологии развития процесса, но следует учитывать, что технологии не сменяют одна другую в одночасье, а зачастую длительный период существуют параллельно. Поэтому, многие описанные в статье технологии применяют и в наши дни.
Технология изготовление ключей (Краткая эволюция)
Авторы: Александр Лаврус и Валерий Юрин
Изготовление замков и ключей к ним началось в эпоху, когда человек использовал природные материалы: дерево, лианы, кость шкуры и камень. Двери, замки и ключи были деревянными. Такие цельнодеревянные конструкции изготавливали плотники различными режущими инструментами. Технология их производства проста и описана не будет. Заметим только, что в сельской местности и в малоразвитых странах цельнодеревянные конструкции производились вплоть середины XIX в. и продолжают эксплуатировать в наши дни.
В началe эры металлов, царствовала медь, а затем ее сплав с оловом - бронза. Температура плавления меди - 1083 ºС. Добавка 8% олова снижает ее до 900 ºС, а 25% олова дает снижение до 800 ºС. При этом, сплав становиться твердым, но хрупким. Если олова 4 – 6%, то бронза обладает пластичностью, достаточной для его обработки ковкой. Простые ключи отливали в открытую форму, как показано на Рис.1.
Рис.1 Изготовление формы и отливка ключа

Твердую модель ключа (или аналогичный ключ) вдавливали в мокрую формовочную массу, помещенную в опоку - приспособление в виде жесткой рамы или открытого ящика. Традиционный состав формовочной массы: кварцевый песок и глина. Затем модель вынимали, форму дорабатывали, просушивали и заливали в нее расплавленную бронзу. Образцы литых ключей представлены на Рис. 2.
Рис.2. Литые плоские ключи

Для изготовления более сложных по форме (объемных) ключей, использовали способ литья по восковой модели. Вначале, из воска изготавливали модель ключа в натуральную величину Рис. 3а. Для получения точного размера, мастера учитывали усадку формы при сушке и температурную усадку металла. В верхней части модели формировали конус, расширяющийся кверху – будущий литник.
Рис.3. а) Модель ключа; б) Разрез готовой формы

а б
Готовую модель помещали в опоку (ящик), которую заполняли формовочной массой Рис.3.б. Массу уплотняли трамбовками и проделывали в теле формы тонкой иглой отверстия для выхода газов – выпоры. Форму высушивали, нагревали и выливали расплавившийся воск. Таким образом, внутри формовочной массы получалась полость, в которую через литник заливали расплавленный металл. Дав металлу остыть, формовочную массу разрыхляли и доставали отливку. С помощью сечек, зубил, напильников или рифлевок удаляли литники, выпоры и другие возможные приливы. Индивидуальный код на бородку мог отливаться вместе с ключом или наноситься режущими инструментами позже. Образцы изготовленных по этой технологии ключей показаны на Рис.4.
Рис. 4. Старинные литые ключи а) «Римский» ключ; б) Шарнирные ключи; в) Средневековые ключи

а б в
Развивая технологию, мастера научились отливать в форму и более сложные ключи, части которых были шарнирно соединены Рис. 4б. Выступы на головках ключей – остатки литников. Способ производства литьем сохранился в эпоху средневековья Рис. 4в., используется и в наши дни Рис. 5.
Рис. 5 Литой ключ со следами литья

С утверждением в качестве основного металла производства железа, технология изменилась. Температура плавления железа 1539 ºС. и существовавшие сыродутные горны первоначально не давали такой высокой температуры, так что в них получали не расплавленный (жидкий) металл, а тестообразную, пропитанную шлаками массу – крицу. Положение изменилось, когда удалось повысить температуру в печах, применяя принудительный наддув воздухом с помощью мехов, которые приводил в движение человек или животное, а затем водяное колесо. При этом, кроме крицы и шлаков, в печи стала скапливаться жидкая, насыщенное углеродом фракция – чугун. Так как чугун хрупкий и не поддается ковке, первоначально его считали вредным и выбрасывали. Позднее, из чугуна стали получать изделия, заливая в формы. В XIX в. научились получать ковкое железо, переплавляя чугун в открытой печи в присутствии воздуха (кричном горне) - «фришевание». Крицу из печи доставали, разбирая печь, и ковали, чтобы удалить шлаки. Так получали крупные заготовки, вес которых зависел от величины печи. В своеобразном кладе, найденном в развалинах дворца царя древней Ассирии Саргона II, археологи нашли около 200 тонн железа в изделиях и первично обработанных крицах. Они имели вид вытянутых овалов с узкими выступами-ушками на концах. В одном из выступов было отверстие, для удобства транспортировки. Аналогичную форму, имели деньги Киевской Руси - гривны.
Рис. 6 Этапы изготовления ключа-якоря
Изготавливая ключ, железо нагревали и ковали: вытягивали, разрубали и изгибали, получая необходимую конфигурацию. Индивидуальную бородку ключа формировали ковкой, зачастую подгоняя под ключ механизм замка. На рис.6 показана последовательность ковки ключа-якоря, а на Рис. 7 образцы простых кованых ключей.
Рис. 7. Образцы простых кованых ключей

Зачастую, у найденных артефактов визуально трудно различить, каким способом изготовлен ключ, так как поверхность сильно окислена. Ответ может дать рентгеновский снимок, на котором сварные швы хорошо видны. Многочисленные исследования древних ключей говорят о том, что процесс их изготовления был достаточно сложен. Бородку ключа формировали не только разрубая заготовку, но и более сложными технологиями, например с помощью кузнечной сварки. На Рис. 8а представлен процесс изготовления ключа из единой заготовки, использованный восточными славянами. Заготовку нагревали, после чего один край расплескивали в плоскую рукоятку, а второй вытягивали в пруток. Из прутка гибкой формировали бородку в виде двух зубцов. Затем бородку сваривали кузнечным способом. Несколько другая технология создания бородки применена при изготовлении ключа «Сантино», Италия, приведенного на Рис. 8б. Средний зубец бородки приварен кузнечной сваркой, о чем красноречиво говорит утолщение, у его основания.
Рис. 8 Ключи к деревянному штифтовому замку: а) Этапы изготовления; б) Ключ «Сантино»

а б
Кроме цельных ключей, изготавливали сборные. Такой способ давал возможность мастеру использовать остатки, полученные при предыдущей работе. И это не было признаком вторичности работы. Цена металла была высока. Даже мастера – оружейники использовали старые клинки, сваривая их с новым материалом. Возможно, так появились «узорчатые» дамасские клинки, которые в отличие от индийского литого булата получали кузнечной сваркой прутьев или полос железа различной твердости. На Рис. 9а показан железный сборный ключ сложной конструкции. Это знаменитая находка, сделана на Британских островах, относится к работам викингов. Как видно на сечении, первоначально отковали из железа бородку и стержень ключа. Затем на стержень надели шайбу и вокруг нее из полос сформировали объемную головку. Полосы удерживают две муфты, посаженные с обеих сторон «на горячо» (горячую). Дополнительно, внахлест приварена поперечная пластинка. При создании сборных конструкций, использовали также такой технологический прием, как поэтапного литья. Так как температура плавления железа выше, чем у бронзы, мастера сначала изготавливали из железа бородку и стержень, затем устанавливали этот полуфабрикат в тигель и заливали в него расплавленную бронзу. Так получали железный ключ с бронзовой головкой Рис. 9б. Зачастую, отливалась настоящая художественное произведение Рис. 9в. Учитывая дороговизну металла, более часты были конструкции, на головку которых изготавливали деревянные или костяные накладки, обматывали кожей. Такие материалы не долговечны и до наших дней в находках не сохранялись. Головки ключей, изготовленные не из металлов, в наши дни особо популярны. Эта головка облегчает ключ, приятнее на ощупь и им легко придать удобную форму Рис. 9г.
Рис. 9. Сборные ключи а) Сборная головка; б) Литая головка; в) С львиной головкой; г) Пластмассовая головка

а б в г
По более сложной технологии изготавливали ключи раннего средневековья, которые имели форму привычную для современного человека, но были относительно просты и массивны Рис.10.
Рис. 10. Ковка ключа

Для таких ключей характерен сплошной (целиковый) стержень с выступающим за бородку штырьком. Этот штырек входил в отверстие в задней стенке замка и стабилизировал ключ при вращении. Позже, стал популярным полый (маточный) стержень, который надевался на штифт, расположенный в замочной скважине. Но ковкой было выгодно изготавливать крупные ключи. В первую очередь, в связи с трудностью обработки мелких деталей и поддержания их температуры. При многократном нагреве из металла выгорал углерод, металл терял вязкость и способность к ковке.
Проблема контроля температуры была причиной возникновения многих предрассудков, связанных с кузнечным делом. Кузнецы определяли температуру по цвету нагретого изделия, от темно красного (650°С) до белого (1200°С), так называемым «цветам каления», для чего в кузнице возле горна был необходим полумрак. Другой способ определения температуры состоял в том, что мастер прикладывал к нагретой заготовке деревянные бруски. Их изготавливали из разных пород дерева, температура возгорания у которых разная. В качестве флюсов и присадок использовались травы, жженные кости, толченые минералы и т. п. Для закаливания бралась вода из болот или особых источников, собиралась роса … Стараясь сохранить тайну ингредиентов, мастера называли в составе комариный жир, жабью слюну, змеиный яд, придумывали другие экзотические ингредиенты. Для стороннего наблюдателя это был покров тайны, а присутствие огня придавало кузнечному делу мистический ореол.
Рис. 11. Ковка ключа из проволоки

В действительности, зачастую процессы были относительно просты. На Рис. 11 показан процесс формирования ключа из тонкого прутка (проволоки). Головку и стержень с бородкой изготавливали отдельно. Проволоку изгибали, а затем нагревали и ковали. Места изгибов плющили с дальнейшим соединением с помощью горновой сварки, формируя бородку ключа и декоративные элементы головки. Затем части сваривали в единое изделие или соединяли муфтами. Образцы ключей показаны на Рис. 12.
Рис.12 Ранние кованые ключи

Еще один характерный пример кузнечной технологии - создание головки ключа путем пробивки отверстия в заготовке Рис.13. Такая операция производится при высокой температуре в несколько приемов, с помощью специального пробойника (бородка) и оправок. Полученное отверстие кузнецы называют выдрой. Также отверстия просекают с помощью зубила (секача). Форму отверстию придают с помощью бородка или на роге наковальни.
Рис. 13. Этапы формирования головки ключа пробивкой

Головка средневековых ключей была крупнее, чем у более древних, чаще всего круглой (кольцевой) и производных от нее, а также ромбовидной формы Рис. 14. Иногда головку оставляли разомкнутой или в виде веера из ромбов (раскрытый птичий хвост). Индивидуальный рисунок бородок таких ключей обычно вырезали слесарным инструментом после ковки.
Рис. 14. Часто встречающиеся формы головок средневековых ключей

Все приведенные выше кузнечные технологии основаны в основном на обработке заготовок – прутков, так как продажа металла в виде пригодных для дальнейшей обработки прутков, полос, других полуфабрикатов практиковалась издавна. Большинству кузнецов не было выгодно покупать большие заготовки, на нагрев которых нужно было тратить много топлива. Еще одной причиной было низкое качество металла, загрязненного шлаками. Купив крупную заготовку, кузнец не мог определить ее качество. Оценить качество прутка легче, осмотрев его и согнув, взяв за края. Если линия изгиба плавная – металл однородный. Мастера старались самостоятельно улучшить качество (однородность) железа рафинированием. Для этого прутки свивали в пучок, нагревали и проковывали (сваривали кузнечной сваркой). На некоторых старых изделиях коррозия выявляет места некачественной ковки, не обеспечившей сваривание слоев Рис. 15
Рис. 15. Коррозия, показывающая слои металла

Современным исследователям при определении периода производства ключей помогает то, что в Европе, в зависимости от исторического периода, заготовки производили различного сечения (профиля). Так в раннем средневековье (романская эпоха) были распространены круглые прутки. В готическую – четырехгранные. В эпоху Ренессанса вновь круглые, а в период Барокко прутки изготавливали различного, под час причудливого сечения. В России, Петр I обязал Никиту Демидова ежегодно поставлять государству 5000 пудов прутковой стали. Берг коллегией был издан указ «Об опробовании на заводах железа» - фактически правил испытаний. По результатам испытаний железо клеймили, продажа железа без клейма была запрещена. Для надзора была учреждена должность «комиссар над железною работою». На Политехнической выставке в Москве 1872 года демонстрировалась железная полоса, откованная и заклейменная лично Петром I. История ее создания такова: Петр пошел в ученики к мастерам кузнечного дела на завод В. Миллера. В последний день своей учебы царь собственноручно вытянул несколько 18 пудовых полос железа, пометив каждую личным клеймом. За работу царю, как и прочим кузнецам, сделавшим такую же работу, заплатили 18 алтын - 54 копейки. На эти деньги Петр купил себе новые башмаки и показывал гостям на аасамблеях: «Вот башмаки, которые я заработал своими руками». Начиная с XVI века, для изготовления ключей стали использовать пайку. Эта технологию использовали еще в Древнем Египте, но для производства посуды, колокольчиков и т.п. В качестве припоя использовали медь или латуни – сплав меди и (землистой) окиси цинка. По преданию, состав латуни открыт народом моссионики, проживавшим на побережье Черного моря вблизи Трапезунда (совр. Турция). Золотистый цвет сплава обусловил название: греч – oriechalkos – горная медь, отсюда лат – ourichalcum – золотая медь.
Рис. 16. Ключ паяный медью

Пайка позволяла полностью использовать металл, в том числе мелкие обрезки, для украшения ключей. Узором из металлических проволок или полосок заполняли отверстие в головке ключа Рис.16. Это позволяло не только украсить, но и существенно облегчить ключ. Также, пайкой соединяли в единое изделие заранее изготовленные части.
Рис. 17. Технология изготовления ключа пайкой. а) Части ключа и ключ в сборе, б) Бородки на целиковом стержне

а б
На Рис. 17а показан процесс сборки маточного ключа. Проволочная головка крепится к согнутому в трубку из листа стержню с помощью скобы (разрезной муфты). Бородка ключа в месте пайки имеет специальную выборку, радиус которой совпадает с наружным радиусом стержня. Затем между частями прокладывали тонкую фольгу – припой и нагревали. Бережливые мастера использовали как припой медные и латунные опилки. В случае целикового ключа, выполняли углубление в конце стержня Рис. 17б. Зачастую, для более прочного соединения, выполняли не просто плоскую площадку, а сложное соединение в «ласточкин хвост». Затем бородку вставляли в паз на посадочное место, предварительно проложив между частями фольгу припоя. Перед пайкой, все части ключа связывались в единое изделие железной проволокой – биндрой, смачивали флюсом и помещали в горн. Изделия большой сложности паяли на металлическом листе или полосе.
Рис.18. Образцы сборных ключей. а) С впаянной головкой; б) С впаянной бородкой

а б
Рассмотрим два ключа с припаянными деталями. На Рис. 18а. хорошо виден расширенный “воротник” стержня, куда вставлена изогнутая в петлю проволочная головка. На Рис. 18б показан ключ, у которого головка и стержень выкованы вместе, а бородка впаяна соединением в «ласточкин хвост». На выноске хорошо виден желтый шов припоя. При изготовлении мелких ключей с тонким сечением элементов, использовали глину с небольшой добавкой соли. Изделие собирали и связывали, но не стальной проволокой, а латунной. Затем его покрывали флюсом, замазывали глиной и помещали в горн. Когда глина высыхала, она превращалась в твердую массу, которая самостоятельно удерживала части конструкции. Тогда температуру повышали до точки плавления латуни, которая переставала быть биндрой и становилась припоем.
Рис. 19. Винтовой замок: а) Части винтовой пары и паянный трубчатый корпус; б) Ключ в сборе; в) Образец винтового замка и ключ к нему

а б в
Еще одно специфическое применение пайки – создание винтовых пар для резьбовых соединений. Для этого навивали из проволоки две спирали равного диаметра и шага. Одну напаивали на ось (винт), а другую припаивали с внутренней стороны стакана (гайка) Рис. 19а. Вторую спираль напаивали на ось ключа Рис. 19б. В других случаях, резьбу на стержне ключа насекали зубилом и по ней навивали спираль из проволоки. Затем спираль свинчивали и впаивали в корпус замка. Образец такого замка показан на Рис. 19в. Вариации размещения наружной и внутренней резьб на ключе или в замке, диаметр и шаг спиралей являлись индивидуальным кодом замка. Также пайкой, создавали трубчатые детали – корпуса навесных замков и стержни маточных ключей. В зависимости от толщины листа, трубку паяли встык или внахлест Рис. 19а.
При изготовлении ключей ковкой, пайкой или литьем с помощью восковой модели, каждый ключ создавался в единственном экземпляре. Ситуация изменилась с переходом к литью в многоразовые сборные формы из камня, глины или металла (кокиль). На частях формы вырезали контррельеф изделия, а части соединяли штифтами из дерева или свинца. Но для изготовления ключей в древности их практически не применяли, так как не было потребности в большом количестве ключей. Замки были единичными изделиями, а к одному замку изготавливали лишь один ключ! С ростом городов и расслоением общества, спрос на замки и ключи заметно вырос. Литье ключей в кокиль многократно ускорило процесс изготовление, так как за одну заливке выплавляли несколько десятков заготовок Рис. 20а. И в наши дни нередко используют способ литья для изготовления эксклюзивных моделей ключей Рис. 20б.
Рис. 20 Литые ключи а) «Куст» ключей; б) Эксклюзивный ключ фирмы «Subaru»

а б
Такое изменение технологии позволило мастерам больше времени затрачивать на украшение изделий. Для украшения применяли различные приемы: чеканку, химическое травление, термическое воронение, а с XVI – XVII вв. резание по металлу резцами - штихелями. На Рис. 21а. показаны образцы богато украшенных ключей, головки которых выполнены высокохудожественным литьем. Это сборные конструкции, части которых изготовлены различными технологиями. При внимательном рассмотрении верхнего ключа, можно заметить следы латунного припоя в месте крепления бородки к стержню. У нижнего ключа место стыковки частей скрыто декоративным прорезным фонарем в середине стержня. Такая технология позволяет изготавливать несколько одинаковых ключей к замку, так что все изделия были выполнены в одном стиле.
Рис. 21. Сборные ключи. а) Ключи с литыми головками; б) Ключ и фонарь; в) Способы соединения частей ключа

а б в
В качестве примера покажем ключ с гребенчатой бородкой и ручкой в виде фонаря первой половины 17 столетия, из собрания музея «Замков и накладок», г. Вельберт. Приведем его описание из книги «Ключ и его история», изданной этим музеем в 1990г.: «Бородка, стержень и нижняя пластина воротника (в авторском тексте - капитель) вырезаны из одной железной заготовки. Средняя часть капители спаяна из восьми ажурных деталей, в то время как верхняя пластина и розетка с двумя надетыми львиными масками снова вырезаны из цельного куска» Рис. 21а. Не менее красноречива иллюстрация из книги Роберто Борали «Старинные ключи. Техника, искусство, символика» Рис. 21б. В наши дни, этот элемент конструкции редко, но используется. Технология, когда головка ключа отливалась вместе со стержнем или его частью, а затем соединялась с бородкой, была долгое время преобладающей. С ростом производства мастера не могли тратить столько времени на изготовление сложных элементов и были разработаны многочисленные, относительно простые, способы такого соединения. Некоторые приведены на старинной гравюре Рис.21в.
Естественно, такие сложные изделия имели высокую цену и их изготовление было долгим. Для более простых ключей применяли способ сборки клепкой Рис. 22. Бородку, стержень и головку ключа изготавливают отдельно. В стержне ключа выбирают продольные пазы и сверлят поперечные отверстия для штифтов. Бородку и головку изготавливают с удлиненным хвостовиком, который вставляют в паз, а выступающие с обратной стороны части хвостовика расклепывают. Излишки металла зачищают напильником. Другой вид клепки – соединение с помощью отдельных заклепок. В зависимости от необходимого усилия открывания замков, такая техника могла сочетаться с пайкой.
Рис. 22. Различные виды сборки ключей клепкой

Переход к новым технологиям создал предпосылки к процессу обезличивание ключа. Появилось отдельное производство болванок ключей, бородки которых изготавливались цельными. Мастера замочники и ключники разделились. Теперь замочник покупал болванку и наносил на ее бородку рисунок-код под конкретный замок.
Другой способ получения многих изделий с помощью одной формы – штамповка. Это вид ковки, когда для получения заготовки нужной формы металл вбивают (вдавливают) в металлическую форму - штамп. Такой метод применяли издревле при изготовлении денег и украшений из мягких металлов – золота и серебра. С XIV в. стали появляться штампованные железные изделия, а с XIX века, с появлением мощных паровых прессов и инструментальных сталей для штампов, этот способ стал одним из основных также и для производства ключей. Процесс начинается с того, что из высокотвердой стали, изготавливают штамп. Он состоит из двух половин, в каждой из которых выполнено углубление, как если бы в металл, как в глину, до половины вжали ключ.
Рис. 23. Заготовка ключа, штамп, и штампованный ключ

Штамп помещают в пресс и вкладывают в него нагретую заготовку Рис. 23. После этого пресс давит на штамп, заготовка деформируется и принимает форму полостей штампа. Избыток металла выдавливается между частями штампа и образует вокруг изделия тонкую пластину - облой. Процесс может быть одноразовым – прессовым или многоразовым – кузнечным. В любом случае, для этого вида обработки был необходим предварительный нагрев заготовки. Такой процесс называют объемная горячая штамповка. С развитием металлургии появились сплавы, способные хорошо деформироваться без нагревания. Появилась холодная штамповка. Полученную болванку ключа очищали от ненужных приливов металла (облоя) вручную (напильником), а в современных автоматизированных процессах – специальными штампами. При штамповке, головку болванки украшают, нанося рифление, логотип фирмы, рисунок и т.п. Рис. 24.
Рис. 24. Ключевые болванки

Для производства ключей – пластин, появившихся в конце XIX в. применяют еще один вид обработки металлов – вырубной штамп. Такой штамп состоит из двух частей: матрицы и пуансона. Матрица – часть штампа с отверстием, повторяющим контур изделия, а пуансон – с соответствующим отверстию матрицы выступом. Выступ пунсона входит в углубление в матрице с небольшим зазором.
Рис. 25. Вырубка пластинчатого ключа

Металл в виде плоской заготовки подают в штамп и прессуют Рис. 25. Эти способом в настоящее время получают большинство болванок ключей. Способ наиболее производительный, так как позволяет подавать заготовку в штамп в виде ленты, а не в виде отдельных заготовок. Образцы таких ключей показаны на Рис. 26.
Рис. 26. Простые вырубленные ключи с нанесенным на бородки рисунком

С усложнением замков, для получения необходимого профиля, пластинчатую заготовку стали дорабатывать на фрезерных станках. В теле бородки заготовки ключа, специальными фасонными фрезами выбирают продольные канавки различного профиля и глубины Рис. 27. Так создается заготовка – болванка, на рабочих поверхностях которой в дальнейшем фрезерованием, сверлением и другими способами наносят индивидуальный рисунок-код.
Рис. 27 Болванки с фрезерованным профилем

Современные ключи штампуют из пластины толщиной 1,5...2,5 мм, что дает выигрыш в весе в 7...10 раз. (4...7 гр. против 40...50 гр. при традиционном изготовлении). Именно малый вес и простота изготовления вывели штампованные ключи на первое место среди других типов. Если для ключа-пластины использую низкосортные материалы, вырубленные детали дорабатывают гибкой, которая осуществляется на специальных гибочных штампах. Такая доработка имеет две цели. Первая – придание детали нужной объемной формы (например, согнуть в трубку Рис. 28а.). В изделии, части соединяют пайкой или точечной сваркой.
Рис. 28 Штампованные ключи. а) Сборные; б) Гнутый

а б
Вторая цель - увеличение прочности изделия с помощью ребер жесткости, возникающих на изгибах получаемого рельефа Рис. 28б. На Рис. 29 показаны образцы штампованных объемных ключей. Профиль (сечение) изогнутой бородки соответствует профилю ключевого отверстия в замке и обеспечивает первичную секретность. Усложненный профиль стержня ключа и его головки, повышают прочность конструкции ключа. Таким способом получали профиль к ключам для первых штифтовых замков.
Рис. 29. Штампованные ключи c сформированным гибкой профилем

С развитием техники, для изготовления ключей стали использовать и другие технологии, например прессование из порошков. Многие современные ключи - сложные изделия со встроенными подвижными элементами, магнитными вставками, встроенными оптическими или электронными схемами.
|