книги из ГПНТБ / Муслин Е.С. Металл меняет форму

сию, и снова она потребовала 10 миллионов. Специали­ сты уже передумали ломать степы. Они собирались вы­ рыть десять глубоких колодцев глубиною по 40 футов, поставить в них гранитные столбы, укрепить на них подъ­ емные винты и поднять ими стены. Наполеон опять не ут­ вердил проект.

Тогда к императору явился молодой изобретатель, инженер Молар, и взялся произвести ремонт, стоимость которого составляла одну десятую часть тех сумм, что тре­ бовали обе комиссии. По приказанию Наполеона ему тот­ час выдали миллион франков, и изобретатель приступил к работе. В стенах здания он велел просверлить два ряда отверстий и просунуть сквозь них толстые железные бол­ ты с крупною резьбою. На каждый болт надели по два четырехлапых якоря и закрепили их гайками. Затем к концам болтов подвесили жаровни из листового железа. Каждое утро рабочие разводили в жаровнях огонь, а когда болты нагревались и удлинялись, они подтягивали гайки. Охладившись, болты стягивали стены, и все начи­ налось сначала. Через две недели стены выпрямились, после чего исправили и фундамент. На весь ремонт ушло полмиллиона франков. Оставшиеся 500 тысяч Наполеон подарил изобретателю, вдобавок наградив его орденом.

Таково содержание рассказа «Как в городе Париже починили дом», написанного Львом Толстым для детских хрестоматий.

Как видите, французский инженер довольно остроумно использовал силу теплового расширения и сжатия метал­ лов. Действительно, сила эта колоссальна. Подсчитать ее легко по элементарной формуле, известной из сопротив­ ления материалов и гласящей, что сила, с которой стре­ мится расшириться сжатый нагретый стержень, равна произведению модуля упругости материала на коэффици­ ент его линейного расширения, на площадь поперечного

160

сечения стержня и на разность температур до и после на­ грева.

Нагревая небольшой кубик из хромоникелевой стали — хромансиля — со стороной 10 сантиметров, можно через несколько секунд получить усилие в 1000 тонн. Причем заметьте, для этого не требуется практически никакого оборудования.

Основные потребители многотысячетонных давлений в промышленности, естественно, «давленцы», специалисты по обработке металла давлением. Переходя к штамповке все более крупных деталей, они требуют от машинострои­ телей создания все более мощных прессов. Ведь на каж­ дый квадратный сантиметр заготовки приходится нажи­ мать с силой примерно пяти тонн. Не говоря о принципи­ альных технических трудностях их постройки, напомним лишь, что мощность самого большого пресса в мире со­ ставляет сейчас 70 тысяч тонн. Это предел наших воз­ можностей на сегодня. А вот с помощью термопрессова­ ния — способа, использующего тепловое расширение материалов, недавно предложенного московскими изобре­ тателями М. Захаровым, А. Меснянкиным, А. Сизовым и Ю. Сударенковым (авторское свидетельство 151186),— можно штамповать детали, требующие усилий хоть в мил­ лион тонн. Новый способ не требует уникального обору­ дования и доступен каждому предприятию, на котором имеется карусельный станок, необходимый для изготовле­ ния самодельной оснастки.

Идея термопрессования возникла у изобретателей при следующих обстоятельствах. Однажды им пришлось ремонтировать контейнер мощного гидропресса. Такой контейнер представляет собой несколько толстостенных труб, с натягом вставленных друг в друга. Случилось так, что внутренняя труба оказалась «прослабленной», то есть диаметр ее был на пару миллиметров меньше, чем требо-

валось. Чтобы не выбрасывать ее в брак, инженеры ре­ шили наружную трубу нагреть посильнее и вставить ме­ жду ними прокладку — свернутый в трубку миллиметро­ вый дюралевый лист. Так и сделали. А когда труба остыла, она с такой силой сдавила прокладку, что алюми­ ний, как тесто, стал вытекать из зазора. Этот случай и на­ толкнул изобретателей на мысль использовать силы теп­ лового расширения для штамповки.

Термопресс.

Спроектированная ими установка, которую они назва­ ли термическим прессом, представляет собой массивное стальное кольцо, опущенное в яму и окруженное тепло­ вой изоляцией. Кольцо нагрето до температуры штампов­ ки, и эта температура поддерживается постоянно. Внутрь кольца вставляют холодную трубчатую заготовку, а внутрь заготовки — массивную металлическую болван­ ку, служащую оправкой. На внешней боковой поверхно­ сти оправки нанесен рельеф — ребра, канавки, обратные

162

тем, которые надо выдавить на заготовке. После того, как оправка заняла рабочее положение, ее начинают греть. Разогреваясь, она «полнеет», раздается, увеличивается в диаметре, сдавливает металл заготовки и заставляет его течь, заполнять каждое углубление на оправке. Лучше всего использовать индукционный нагрев переменным то­ ком. Возникающие вихревые токи пульсируют с частотой 50 колебаний в секунду и то и дело встряхивают оправку, заставляют ее вибрировать. При этом снижается трение между заготовкой и штампующей поверхностью, сущест­ венно уменьшается потребное рабочее усилие. После за­ полнения заготовкой рельефа оправки по высверленным в последней каналам пускают охлаждающую жидкость. Оправка снова сжимается, и ее легко вынимают из на­ ружного кольца — контейнера — вместе с готовой де­ талью. Охлаждение ведут дальше — и вот с оправки соскальзывает отштампованная деталь. Ее внутренняя поверхность, как вафля, покрыта частой сеткой канавок и ребер, впадин, бобышек, утолщений. Получить такого рода деталь — трубу с произвольным внутренним релье­ фом— каким-либо другим способом невозможно. Во вся­ ком случае все предпринятые до сих пор попытки оказа­ лись неудачными. Пробовали, например, прибегнуть к секционной штамповке, то есть штамповать плоскую за­ готовку последовательно, по частям, а затем сгибать ее в рулон и сваривать. Однако заготовка от одного удара штампа до другого успевала остыть, приходилось греть ее снова, размеры начинали «ползти», заданный рельеф недопустимо искажался. Пробовали получить профиль прокаткой, но поперечные ребра при этом неминуемо под­ рывались, под ними образовывались трещины.

Остается, правда, литье, но каждому конструктору известно, что литые детали по прочности ни в какое срав­ нение не идут со штампованными. Так что термопрессова-

штамповать становится легче. Практически этот метод пригоден для диаметров свыше полуметра. Специальные испытания подтвердили долговечность деталей самого термопресса. Так, оправка, нагретая и охлажденная тысячу раз, не растрескалась, не изменила своих разме­ ров, материал ее не претерпел никаких структурных изме­ нений, механические свойства его не ухудшились. Конеч­ но, нагрев не следует вести выше 500° — температуры структурных изменений в стали, но для алюминиевых и магниевых сплавов этого более чем достаточно. Что ка­ сается кольца контейнера, то о нем беспокоиться вообще нечего: оно находится просто-таки в «тепличных» усло­ виях: ни толчков, ни вибраций, давление растет постепен­ но, температура постояннаяНу а шток, траверса практи­

чески не нагружены.

Хотя термопрессы в первую очередь предназначены для штамповки цилиндрических деталей с наружным и внут­ ренним рельефом, их легко приспособить для конических, сферических и даже плоских изделий. В последнем случае пресс будет состоять из двух траверс, соединенных ко­ лоннами, с пресс-штоками посередине. На концах прессштоков имеются оправки, между которыми помещается заготовка. Колонны и пресс-штоки снабжены обогрева­ тельными элементами. Сначала разогревают колонны. Они удлиняются, оправки раздвигаются, и между ними вставляют заготовку. Затем нагревают пресс-штоки. Они намертво стискивают заготовку. Теперь пресс-штоки ох­ лаждают, и заготовку без всяких усилий можно вытащить наружу.

Новое изобретение успешно опробовано и уже внедре­ но на предприятии, где работают изобретатели. Благода­ ря своей уникальной простоте и большим технологиче­ ским возможностям оно наверняка получит широкое при­ менение в промышленности.

165

Бесконечная штамповка

Новый способ московских инженеров позволяет нагрев уменьшить, а степень деформации беспредельно увеличить. «Тепловая смерть» и черепашья скорость дают возможность штамповать хрупкие литейные сплавы

Борис Павлович Райский, герой романа Гончарова «Обрыв», в молодости страстно любил рисовать. Однаж­ ды он тщательно нарисовал женскую головку, но портрет все же выглядел каким-то безжизненным. Тогда его взял учитель, добавил три-четыре штриха, да сделал по точке в каждом глазу — и глаза вдруг стали смотреть, точно живые.

То же самое часто происходит и в технике. Вы можете применять самые сильные и экзотические приемы, кон­ струировать сложнейшие агрегаты и не добиться успеха. Но стоит поставить такие вот «точечки», ввести неулови­ мое на первый взгляд изменение технологического процес­ са, как невозможное станет возможным. Так, громоздкое уравнение, сотни лет не поддававшееся усилиям матема­ тических гениев, становится элементарным, стоит лишь убрать штришок из обозначения старшей производной или понизить на единицу степень загадочного икса..-

Хотя известно много различных видов горячей штам­ повки, при всех при них сохраняется одна и та же после­ довательность действий, причем довольно-таки неразум­ ная. Греют ли металл в печах, высокочастотных индукто­ рах или ваннах, после того как он достигнет заданной температуры, его извлекают из нагревательного устрой­ ства и подают под пресс или молот. Пока заготовку пере­ носят, укладывают в инструмент, наконец, деформируют, она непрерывно остывает. А это в конечном счете ухудша­ ет качество -продукции, ограничивает технологические воз­ можности. И вот почему. Каждый металл или сплав имеет

166

определенный температурный интервал, в котором мож­ но его штамповать. Раз заготовка остывает, ее нужно нагревать как можно сильнее, чтобы иметь запас по темпе­ ратуре, чтобы она не остыла под штампом ниже допу­ стимого предела. Ну, а излишний нагрев приводит к перерасходу энергии, к быстрому износу нагреватель­ ных устройств, наконец, к росту зерна, ухудшающему металлографическую структуру детали. Из-за остыва­ ния приходится торопиться, «ковать железо, пока горя­ чо». А повышение скорости деформации ведет к упроч­ нению металла, к повышению потребной мощности прес­ са. К тому же, как ни торопись, а за малопластичными сплавами на основе титана, никеля, кобальта, хрома и магния, то есть за самыми жаропрочными и перспектив­ ными материалами современной энергетики, авиации, ракетостроения с их узкими интервалами штампуемости все равно не поспеешь. Чтобы довести обработку до кон­ ца, заготовки из них приходится нагревать по нескольку раз. В результате резко увеличивается трудоемкость, а главное, начинается межкристаллическая коррозия, успевают выгореть ценные легирующие добавки, сооб­ щающие материалу все его замечательные свойства.

Вот если бы заготовки не остывали... Штамповку мож­ но было бы вести при постоянной самой выгодной тем­ пературе, где-то близ нижней границы допустимого ин­ тервала, можно было бы использовать так называемую «технологическую пластичность», которую обуславлива­ ют фазовые превращения, протекающие в до сих пор неосуществимо узких температурных границах, можно было бы.... Да, мало ли чего можно было бы!

Московские инженеры-изобретатели Александр Бо­ рисович Герчиков, Юлий Григорьевич Калпин и Семен Зиновьевич Фиглин, занимавшиеся подбором наилуч­ ших штамповочных смазок, пришли к выводу, что мечты

167

«давленцев» не так уже неосуществимы. Для этого нуж­ но лишь чуть-чуть изменить установившийся распорядок: не переносить заготовку из нагревательного устройства под пресс, а штамповать ее прямо на месте погружен­ ную в непрерывно подогреваемый расплав каких-либо солей или термостойких масел. Собственно, в этой пре­ дельно простой идее и заключена главная суть изобрете­ ния (авторское свидетельство 159382), буквально рево­ люционизирующего традиционную технологию штампов­ ки и ковки. Теряет силу пословица «куй железо, пока го­ рячо»: температура заготовки, находящейся как бы в со­ стоянии «тепловой смерти», теплового равновесия с на­ гревательной средой, по всему своему объему все время остается постоянной. А раз некуда спешить, то пуансон можно заставить двигаться еле-еле, с черепашьей ско­ ростью. Казалось бы, для чего это нужно, ведь скоро­ сти всех технологических процессов обычно наоборот стараются увеличить. Но в том-то и дело, что такая мед­ ленная «полусонная» штамповка открывает перед нами совершенно новые возможности.

Как известно, все сплавы делятся на две большие группы —- литейные и деформируемые. Литейные спла­ вы обладают самой высокой жаропрочностью, но чрез­ вычайно хрупки и боятся ударов, как стекло. Штампо­ вать их практически невозможно: ничтожная пластич­ ность допускает ничтожные степени деформации. Другое дело, медленная штамповка в расплаве. Вот половинки штампа еле заметно сдвинулись на какую-то долю мил­ лиметра. Пластичность исчерпана, напряжения в детали быстро растут, она уже собирается треснуть. Но... ведь деталь нагрета, в ней непрерывно происходит рекристал­ лизация, восстановление первоначальной структуры. Как неразменный рубль, вновь возвращается к ней пластич­ ность, и вновь сдвигается штамп на несколько соток.

168

Такими шажками штамповку можно продолжать беско­ нечно, лишь бы скорость движения штампа не перего­ няла неторопливо идущие в заготовке процессы рекри­ сталлизации.

Но почему литейные сплавы нам хочется обязательно штамповать? В чем тут главная выгода? Во-первых, современные жаропрочные сплавы настолько капризны, что, как правило, одна, а то и две трети литья уходят в брак. При штамповке брак обычно не превышает и двух процентов. Кроме того, штамповка улучшает струк­ туру, делает металл мягче, пластичнее, позволяет выпол­ нять из него детали, испытывающие вибрации и удары, например турбинные лопатки. А каждый градус увели­ чения их жаропрочности заметно повышает мощность турбин, улучшает их топливную экономичность.

Штамповка в расплаве предохраняет металл от окис­ ления, от насыщения его вредными элементами. Особен­ но важна высокая смазочная способность расплава. Каждый «давленец» знает, что чем тоньше заготовка, тем труднее ее штамповать, тем больше сказывается трение между половинками штампа и ее торцевыми по­ верхностями. Когда заготовка превращается в тонкий блин, то повышать мощность пресса уже бесполезно: деформируется не заготовка, а сам штамп. Здесь же бла­ годаря резкому снижению трения удается штамповать детали толщиною в один-два-три миллиметра, например те же турбинные или компрессорные лопатки. Заготовки не приходится больше фрезеровать, обтачивать, шлифо­ вать. Из-под пресса они идут сразу на полировку. О ко­ лоссальной выгоде новой технологии можно судить, зная, что на лопатки приходится чуть ли не половина работы по изготовлению турбин и компрессоров. Кроме того, уменьшение отходов позволяет в 5—10 раз (!) сократить расход дорогостоящих сплавов.

169