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

Интересно решается и проблема инструмента. Действи­ тельно, если для деталей мы используем самые жаро­ прочные из существующих сплавов, из чего же тогда сде­ лан сам штамп? Ведь он нагревается здесь до той же тем­ пературы. Оказывается, штампы можно изготовить из ке­ рамики: жаропрочность у нее выше, чем у любого метал­ ла, а хрупкость нам не страшна: давление при штампов­ ке в расплаве нарастает очень плавно. Для штамповки по новому способу вполне подходят обыкновенные гид­ равлические прессы, нужно только снабдить их регуля­ торами, замедлителями скорости. Еще удобнее восполь­ зоваться термическими прессами, рабочие усилия в ко­ торых создаются благодаря тепловым деформациям конструкций. Изменяя скорость нагрева пресс-штоков, можно регулировать скорость рабочего хода в каких угодно пределах.

Пожар под прессом

Горящая паста нагревает заготовки под штамповку

Что легче нагреть — маленькую крупинку или мас­ сивный тяжелый слиток?

— Конечно, крупинку,— ответит, не задумываясь, каж­ дый, кто проходил в средней школе физику.— У крупин­ ки масса меньше, значит, меньше и теплоемкость.

Несмотря на свою кажущуюся убедительность, такой ответ правилен не всегда. Чем температуре нагрева вы­ ше, тем больше тепла излучает любое нагретое тело в окружающее пространство. По закону Стефана — Больц­ мана эти потери растут стремительно, пропорционально четвертой степени абсолютной температуры. Но посколь­ ку излучение происходит с поверхности, а отношение по­ верхности к общей массе у крупинки гораздо больше, чем у массивного слитка, то и тепло она теряет быстрее.

170

Вспомните хотя бы искры, летящие из-под точильного камня, эти крохотные металлические пылинки, раскален­ ные до тысячеградусных температур и гаснущие на лету. Пытаться не дать им остынуть, накачивая их новыми по­ токами тепла, так же трудно, как наполнить бездонную бочку. То же самое происходит и с тонкими металличе­ скими листами. Обладая большой поверхностью и малой массой, они мгновенно остывают, даже будучи разогреты докрасна. Это обстоятельство чрезвычайно осложняет работу штамповщиков. Не успели они раскалить тонко­ листовую заготовку и перенести ее из пламенной или индукционной печи под пресс, как она уже остыла. Чтобы компенсировать быстрое охлаждение, заготовки специ­ ально перегревают, ухудшая при этом структуру и ме­

вают предварительно сами штампы, лишь бы они меньше отбирали тепла от заготовок. Но часто все эти ухищре­ ния не дают желаемого эффекта, а при штамповке воль­ фрама, молибдена и других быстро окисляющихся на воздухе металлов и сплавов технология осложняется еще больше — требуется вакуум, защитные инертные среды и т. д.

Мгновенный нагрев до оптимальной температуры пря­ мо в рабочем инструменте и непосредственно во время деформирования — вот было бы идеальным решением вопроса с точки зрения металловедов. А как такой на­ грев практически осуществить — это уже другой вопрос. По-видимому, потребуются мощные высококачественные установки, дорогостоящие и сложные в обслуживании электронные системы... К чести московских инженеровизобретателей Евгения Владимировича Васильева и Якова Сергеевича Габриэлянца предложенный ими для этой цели способ предельно прост, дешев, не требует

171

никакого дополнительного оборудования и доступен даже колхозной мастерской (авторское свидетельст­ во 172866).

Вы, наверное, уже слышали о консервированных обе­ денных блюдах, упакованных в специальные жестяные коробки с нанесенной на их донышки горячей смесью. Открыл коробку, поднес заженную спичку к донышку, и горячий суп или жаркое к вашим услугам.

По такому же пути пошли и наши изобретатели, соз­ давшие своего рода «консервы» для пресса. Тонкую лис­ товую заготовку они обмазали слоем горючего вещества с большой теплотворной способностью. Затем уложили заготовку в штамп и за мгновенье до рабочего хода по­ дожгли горючее вещество. Лист вспыхнул сразу по всей поверхности и быстро нагрелся до нужной температуры. Поскольку горение продолжалось и тогда, когда пуансон шел вниз, то в продолжение всей деформации заготовка сохраняла необходимую пластичность.

Какие новые возможности открывает перед штампов­ кой этот необычный способ нагрева?

Во-первых, не требуется ни печей, ни какого-либо другого нагревательного оборудования, например вмон­ тированных в штампы электроэлементов, расходующих много энергии.

Во-вторых, оптимальная пластичность, которой можно управлять во времени, следя за температурой в отдель­ ных точках заготовки с помощью термопар, позволяет получать большие вытяжки, за один удар пуансона штамповать детали из труднодеформируемых сплавов, например титановых, для которых требуется несколько нагревов.

В-третьих, из-за кратковременности нагрева даже та­ кие легкоокисляющиеся на воздухе материалы, как вольфрам и молибден, не успевают окислиться, так что

172

отпадает необходимость в вакуумных установках и за­ щитных атмосферах, неимоверно осложняющих и удоро­ жающих производственный процесс, делающих его недо­ ступным для большей части предприятий. Эксперимен­ ты, проведенные на миллиметровых листах молибдена, из которых штамповали таким способом цилиндриче­ ские стаканчики, подтвердили этот факт: на поверхности деталей не было и следа окиси.

Горючая смесь наносится на листы без особого труда, их просто окунают, например, в раствор пороха в аце­ тоне, покрывают изолирующей предохранительной плен­ кой и ставят вертикальной стойкой в сушильный шкаф. Очевидно, окунание и сушку легко механизировать и даже автоматизировать.

Наконец, еще одно достоинство нового способа заклю­ чается в том, что пуансон и матрица все время остаются холодными и не испытывают попеременных нагревов и охлаждений. Это способствует долговечности дорого­ стоящего инструмента.

Стреляющая спираль

Гидростатическое прессование биметаллических заготовок

Обработка металлов способом прессования известна уже несколько десятков лет. Заготовку — толстую ме­ таллическую болванку — помещают в контейнер — сосуд с толстыми прочными стенками. В передней части контей­ нера имеется коническое отверстие — матрица, задней стенки у контейнера нет. Ее заменяет подвижной инст­ румент, пресс-штемпель — массивный поршень, сделан­ ный из сверхпрочной стали.

Рабочий нажал кнопку. Тысячетонная махина громад­ ного пресса величиною с шестиэтажный дом вздрогнула

173

и всею своею неимоверной силой навалилась па прессштемпель. Пресс-штемпель медленно пополз вниз, вы­ тесняя металл из контейнера. Через фигурное отверстие матрицы, принимая его форму, начала выползать заго­ товка. Именно выползать, ибо скорость ее движения не превышает нескольких миллиметров в секунду. Дело в том, что при большей скорости начинают рваться наруж-

Пруток сворачивают в спираль.

ные волокна заготовки и на поверхности изделия обра­ зуются рванины — «ерши». А кроме того, у пресса прос­ то не хватает мощности: давление прессования доходит до 10 тысяч атмосфер да трение заготовки о стенки контейнера поглощает по крайней мере половину рабо­ чего усилия. Если прессовать, например, болванку диа­ метром в полметра, то потребная мощность пресса со­ ставит 40 тысяч тонн. Такие машины уникальны, и стоимость их составляет многие миллионы рублей.

Дороговизна и малая производительность мешали ши­ рокому распространению прессования. Специалисты счи­ тали этот старый технологический процесс бесперспек­ тивным.

Вторая жизнь прессования началась с изобретения советского инженера М. С. Курневича. Инженер пред-

174

ложил заменить стальной штемпель водой. Это сразу устраняло оба недостатка прессования. Во-первых, вмес­ то уникальной громады пресса теперь совершенно доста­ точно было небольшого насоса высокого давления — компрессора. Жидкость давит во все стороны равномер­ но, поэтому если в тоненькой трубке, соединяющейся с огромной замкнутой камерой, развить большое давление (для этого потребуется сравнительно небольшое усилие, ведь площадь сечения трубки невелика), то такое же давление возникает и в камере. Вот почему небольшой компрессор способен заменить колоссальный пресс.

Второе. Прессование водой резко повысило произво­ дительность. Как только давление повышалось до задан­ ного предела, раздавался хлопок, подобный выстрелу, и из матрицы, как распрямившаяся пружина, стремитель­ но вылетало готовое изделие. Никаких рванин и «ершей» поверхность его была гладкой, словно отполированной. Объясняется это почти полным отсутствием трения: бол­ ванка нигде не касается стенок контейнера, со всех сто­ рон ее окружает жидкость. Эта жидкость просачивается и в матрицу, образуя на ее поверхности тончайшую плен­ ку, так называемый гидродинамический клин, прекрасно заменяющий смазку. Что касается выстрела, то причина его в сжимаемости воды. Хотя и принято говорить, что жидкости несжимаемы, в действительности это не так. Вернее сказать, они плохо сжимаемы. Во всяком случае

Стоит только заготовке тронуться с места, как трение резко снижается (трение движения всегда меньше тре­ ния покоя) и энергия, законсервированная в воде, мгновенно освобождается, выталкивая заготовку.

Способ прессования металлов водой поначалу изуча­ ли ученые в Лаборатории физики высоких давлений

175

АН СССР под руководством Л. Ф. Верещагина, потом за него взялись производственники.

Инженерам в общем-то понравился оригинальный тех­ нологический процесс, если бы не один его существен­ ный недостаток. Как показали расчеты, прессуемая бол­ ванка обязательно должна была быть короткой и тол­ стой, в противном случае ей грозил известный всем, кто изучал сопротивление материалов, продольный изгиб. По­ добно слишком длинной и тонкой колонне, она должна была бы изогнуться и сломаться в контейнере, так и не пройдя сквозь матрицу.

Но вот однажды (изобретения даже в наше время час­ то связаны со случайностью) слесарь по небрежности поместил в контейнер вместо идеально прямого прутка изогнутый, похожий на бумеранг. К удивлению инжене­ ров, которые после сообщения слесаря неоднократно повторяли эксперимент, изгиб заготовки нисколько не мешал прессованию. Тщательная проверка показала ошибку в расчетах. Расчетчики применяли формулы, не учитывавшие бокового давления жидкости на заготовку.

Инженеры сразу осознали важность неожиданного открытия. Раз продольный изгиб не страшен, значит, можно прессовать прутки неограниченного размера.

Теоретически задача была решена, последнее стесни­ тельное ограничение прогрессивного метода было устра­

А. И. Кагаловский из ВНИИ металлургического маши­ ностроения снова вспомнили об изгибе. Ведь если мож­ но прессовать гнутый пруток, то почему нельзя его во­ обще свернуть в спираль, как пружину? Попробовали — получилось. Так родилось новое изобретение (авторское

176

свидетельство 138208), позволяющее прессовать изделия длиною хоть в целый километр. А это имеет грандиозное практическое значение, например, для дальнейшей элек­ трификации нашей страны.

В ходе выполнения Программы КПСС нам предстоит построить миллионы километров линий электропередач. Где взять астрономические количества дефицитной ме­ ди, из которой делаются провода? Правда, медь можно заменить алюминием, которого в земной коре сколько угодно, но электропроводность у него меньше, чем у ме­ ди, и для того, чтобы не увеличивать потери энергии, алюминиевые провода должны быть гораздо толще. Одна неприятность влечет за собой другую. Раз толще, значит, и тяжелее. К тому же повышаются ветровые нагрузки, зимой увеличивается вес намерзающего на проводах льда. В результате резко возрастают разры­ вающие усилия, заставляя делать провода еще толще, пролеты между опорами — меньше, сами опоры — проч­ нее, массивнее. Все это удорожает строительство. Элект­ рики подсказывают простой выход. Они предлагают при­ менить биметаллический провод: стальной сердечник бу­ дет нести нагрузку, а по алюминиевой оболочке потечет ток.

Но то, что просто для электриков, сложно для метал­ листов: как вы изготовите какой провод? Наденете на стальной пруток алюминиевую трубу и станете воло­ чить? Ничего не получится. Мягкая алюминиевая тру­ ба утоньшится, а пруток останется, каким был.

Прессование по методу Гольмана — Прохорова — Кагаловского впервые в мировой практике позволяет, срас­ тив сталь и алюминий, получить биметаллический про­ вод. Для этого в контейнер помещают свернутую в спи­ раль алюминиевую трубу со стальным сердечником и включают насос. Под действием давления и алюминий,

177

и сталь выпрессовываются одинаково, образуя одновре­ менно прочное соединение друг с другом. Самое ценное, что таким способом можно получать провода практиче­ ски неограниченной длины.

Распухающий штамп

Эластичные инструменты для прессования порошком

Любой пятилетний малыш по собственному опыту твердо уверен: песочные «куличики» хорошо получаются только из тех формочек, у которых отверстие имеет больший диаметр, чем донышко. Иначе куличик целым не вытащить. Поскольку объемная штамповка основана на тех же принципах формообразования, что и детская игра, те же закономерности действуют и здесь. Правда, штамповщики в последнее время научились обходиться без штамповочных уклонов и штамповать детали с по­ перечными и продольными выемками и ребрами, но это влечет за собой резкое усложнение конструкции и удо­ рожание штампов. Вместо двух массивных стальных по­ ловинок с выфрезерованной в них фигурной полостью приходится конструировать замысловатые механизмы с причудливой, точно рассчитанной кинематикой, со встро­ енными в них пневмо- и гидроцилиндрами, состоящие из десятков рычагов, клиньев, зубчаток. И все равно пол­ ного универсализма достичь невозможно: деталей, под­ дающихся штамповке, до сих пор гораздо меньше, чем не поддающихся. Поэтому после штамповки их еще нуж­ но фрезеровать, обтачивать или строгать.

Особенно неприятно это в случаях, когда детали прес­ суют из порошков. Ведь основное сырье порошковой

178

сплавы типа «победит». И вот эти-то материалы, основ­ ное достоинство которых как раз состоит в их упорном сопротивлении всяческим деформациям, приходится об­ рабатывать. Сводится на нет и другое важное преиму­

20—30, а то и 40 процентов, как обычно.

Чтобы облегчить обработку, пытались поступать так: отштампованные детали спекали не сразу. «Полусыры­ ми» ставили их на станки и спекали полностью лишь после окончательной обработки. Но все равно получа­ лось дорого и неудобно. Нужен был способ, который сразу бы позволял получать детали с минимальными припусками. Не попробовать ли сделать выплавляемый или выжигаемый штамп, наподобие модели при точном литье? Увы, такой способ явно не устраивал. В отличие от литейной модели штамп, рассчитанный на значитель­ ное рабочее усилие, должен быть прочен, так что делать его каждый раз заново не имеет смысла. Вот если бы удалось без этой прочности обойтись... Впрочем, тогда отпала бы и последняя трудность: из мягкого штампа можно извлечь деталь любой формы. Реально ли это? Разве можно чем-то мягким деформировать твердое? Правда, нам известна листовая штамповка резиновым пуансоном, но матрица-то все равно делается из зака­ ленной стали. И все же есть способ, позволяющий пол­ ностью изготовить штамп из мягкого материала. Это гид­ ростатическое прессование. Впервые его предложили в 1924 году, и с тех пор оно получило довольно широкое распространение. Металлический порошок, насыпанный в эластичную пластмассовую или резиновую оболочку с толщиной стенки 0,1—0,15 миллиметра, погружают в воду, глицерин или машинное масло. Затем с помощью поршня, ударных волн или насоса создают в жидкости

179