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

этап. Далее простиралась область неизведанного, и что­ бы в нее вторгнуться, следовало собрать под одним зна­ менем с электриками технологов, металловедов, «давленцев»....

Как мы уже знаем, принцип действия любой магнит­ но-импульсной установки основан на том, что при раз­ ряде конденсатора через катушку вокруг соленоида образуется мощное импульсное магнитное поле, а в по­ мещенной поблизости заготовке возникают вихревые то­ ки, взаимодействующие с этим полем. В результате при достаточно мощном конденсаторе заготовку прижимают к матрице огромные импульсные механические давле­ ния, измеряемые многими тысячами килограммов на квадратный сантиметр. Такие давления делают мате­ риал заготовки пластичным, он течет и легко заполняет любые формы. Продолжительность процесса не превы­ шает стотысячных долей секунды. Так что по скорости магнитная штамповка — процесс, не имеющий себе рав­ ных. То же можно сказать и о ее универсальности: маг­ нитная штамповка позволяет выполнить все без исклю­ чения технологические операции, доступные любым дру­ гим видам импульсной обработки: взрывной, электрогидравлической, детонационной и т. д. А кроме того, она дает возможность концентрировать рабочие усилия в любом месте заготовки и позволяет сочетать действие давлений с импульсным нагревом. Действительно, боль­ шие вихревые токи выделяют в заготовке много джоулевого тепла. Регулируя параметры электрического раз­ ряда и емкость конденсаторов, количество этого тепла можно регулировать в широких пределах. Космическая скорость процесса в сочетании с мощным тепловым уда­ ром превращает самые хрупкие и твердые материалы в мягкие и податливые, как глина. Еще одно существен­ ное достоинство штамповки — высокая стабильность тех­

190

нологического процесса, возможность получения абсо­ лютно идентичных деталей. Это объясняется легкостью точного дозирования энергии удара, которая полностью определяется рабочей емкостью и числом конденсаторов установки.

Характерная трудность, с которой в самом начале своей работы столкнулись харьковчане,— чрезвычайная сложность физики процесса магнитной штамповки, то, что практически она не поддается расчету. Действитель­ но, по числу одновременно участвующих здесь факто­ ров, среди которых невозможно выделить второстепен­ ные, чтобы ими пренебречь, она уникальна. Если обыч­ ная холодная штамповка полностью определяется меха­ ническими свойствами и прочностью материала, если взрывная требует дополнительного учета сил инерции, то здесь еще добавляется расчет импульсного магнитно­ го поля в пространстве и времени, задача подсчета и распространения в заготовке джоулевого тепла, влияние тепла на податливость и магнитные свойства металла и т. д. Как видите, число математическое, теоретическое решение задачи почти невозможно. Значит, нужно экспе­ риментировать. А это не намного легче. В самом деле, где взять датчики, чтобы за тысячные и стотысячные доли секунды измерить силы, давления, скорости, дефор­ мации, температуры в разных частях заготовки и окру­ жающего пространства? Обычные тензометры н пьезо­ датчики, пригодные для измерений при взрывной и электрогидравлической штамповке, использовать здесь нельзя: процессы идут во много раз быстрее, к тому же мешает сильное магнитное поле. Но без измерений не­ возможно разобраться в механизме процесса, невозмож­ но сознательно выбрать технологические режимы, наме­ тить оптимальную форму кривой импульсного тока, пра­ вильно спроектировать рабочий инструмент. Пришлось

191

разработать уникальную измерительную аппаратуру, пригодную для измерений в столь трудных условиях. Чтобы наглядно представить себе сложность задач, ре­ шенных исследователями, вдумайтесь в такие цифры. Скорость нарастания тока, достигавшего по абсолютной величине 165 тысяч ампер, в одном из экспериментов составила 16 миллиардов ампер в секунду, весь процесс деформации трубчатой заготовки в другом эксперимен­ те продолжался лишь 70 миллионных долей секунды. Тем не менее инженеры могут продемонстрировать вам осциллограмму, навсегда запечатлевшую бешеные скач­ ки тока, и фотопленку, на которой отчетливо видно, как изменялась форма трубы через каждые 2—3 миллион­ ных доли секунды. Для этого понадобилась виртуозная

системы синхронизации электрических разрядов и фото­ вспышек и многое другое. Значительную часть аппара­ туры пришлось разрабатывать самим.

Проведенные исследования позволили уточнить воз­ можности и преимущества магнитной штамповки.

Благодаря отсутствию непосредственного контакта между инструментом и заготовкой и точности дозирова­ ния усилий по величине и даже по скорости их нараста­ ния, становятся возможными очень тонкие операции: напрессовка металлических деталей на хрупкие изделия из фарфора и стекла (изоляторы), обработка деталей в за­ паянных стеклянных или пластмассовых сосудах, а также в тех случаях, когда их касаться нельзя по условиям сте­ рильности.

Сочетание импульсного нагрева вихревыми токами с импульсным нагружением позволяет за одну операцию штамповать детали из труднодеформируемых сплавов. При обычных методах для этого требуется несколько

192

операций с многократными промежуточными термообра­ ботками.

Инструмент вместе с деталью легко заключить в звуко­ непроницаемую оболочку, так что в цехе слышны лишь слабые щелчки.

Упрощается конструкция штампов. Поэтому становит­ ся рентабельной штамповка малых партий деталей.

Не требуется высококвалифицированный персонал. Все, что требуется от оператора,— вставить заготовку, нажать кнопку, вынуть деталь. Поэтому установку магнитной штамповки легко встроить в любую автоматическую ли­ нию. Производительность установки составляет 300— 400 деталей в час и определяется расторопностью опера­ тора. Поскольку нужный для штамповки заряд накапли­ вается за 2—3 секунды, то при автоматизации подачи и снятии заготовок ее удастся поднять и до 800—1000 де­ талей в час.

В Харьковском политехническом институте уже разра­ ботана целая гамма магнитно-импульсных установок (МИУ), отличающихся друг от друга в основном макси­ мальной энергией, запасаемой накопителем. Основная модель МИУ-20/1, демонстрировавшаяся в 1965 г. на ВДНХ, как видно из ее названия, рассчитана на 20 кило­ джоулей.

Она состоит из зарядного повысительно-выпрямитель- ного устройства, питаемого от сети, емкостного высоко­ вольтного накопителя — батареи конденсаторов, инстру­ мента-индуктора, через который протекает разрядный ток, и формообразующей матрицы. Кроме того, имеется стол с пазами «ласточкин хвост» для крепления деталей и инструмента и коммуникатор для замыкания разрядно­ го контура. Разряд происходит после того, как на третий вспомогательный электрод подают поджигающий им-

При отработке новой операции штамповщик переходит на ручное управление накопителем. Поворачивая ручку регулировочного автотрансформатора, он подбирает оп­ тимальную величину заряда. Затем включается электро­ автоматика, и все рабочие операции сводятся к установ­ ке детали и нажатию пусковой кнопки. Очевидно, обеспе­ чить полную автоматизацию и дистанционное управле­ ние не представит особых трудностей.

Как мы уже говорили, нет таких способов обработки металлов давлением, которые нельзя было бы выполнить средствами магнитной штамповки. Однако не везде ее применение экономически оправдано. Харьковские уче­ ные уделили много внимания и такой стороне вопроса и могут дать вполне четкие рекомендации технологам на этот счет.

Так, одной из наиболее рентабельных операций оказа­ лась опрессовка наконечников и соединительных муфт на кабелях, проводах, тросах, канатах, шлангах высокого давления, авиационных тягах. Выигрыш тут не только технологический, главным образом он выражается в повы­ шении качества и надежности изделий. Так, прочность соединения кабельных наконечников на разрыв увеличи­ вается в среднем в 2—3 раза, а переходное электросопро­ тивление контакта уменьшается вдвое. Значит, вдвое уменьшается и паразитный нагрев в этом месте. Причину такого эффекта легко понять, если рассечь кабель вместе с наконечником. Мы увидим, что все проволочки и нако­ нечник превратились в цельный кусок металла. Видимо, огромное, молниеносно нарастающее давление приводит к холодной сварке. Надобность в лужении отпадает. При испытаниях капроновых канатов с напрессованными маг­ нитным полем наконечниками разрыв всегда проходит по канату. Магнитным обжимом безо всякой сварки можно получить герметичный сосуд, если напрессовать обечайку

на диск с прорезанной по его цилиндрической поверхно­ сти кольцевой канавкой. Металл обечайки так плотно за­ полнит канавку, что соединение станет непроницаемым. При проведении экспериментов течи жидкости или газа не наблюдалось и при давлении 150 атмосфер. Обжимая трубу из алюминиево-магниевого сплава по стальному болту, на внутренней поверхности трубы удается получить качественную резьбу. После обжима труба легко свинчи­ вается с болта. Таким же образом можно выдавить резь­ бу и на наружной поверхности трубчатой детали. Описан­ ный способ получения резьбы в сотни (!) раз превосходит по производительности все способы, применявшиеся до сих пор.

Обжимая стальные прутки, очень удобно утонять их концы. Такая операция часто требуется при волочении, когда нужно вставить кончик прутка в волочильную филье­ ру. Обычно рабочие предварительно проковывают прут­ ки под прессом, держа их в руках, придавая им шести­ гранную форму, а потом уже округляют грани. При такой технологии вибрация передается на руки, нередки забо­ левания вибрационной болезнью. Магнитная технология, успешно опробованная на Куйбышевском металлургиче­ ском заводе, полностью избавляет рабочих от подобных неприятностей.

Раздавая трубы магнитным полем, котельщики быстро запрессовывают их в трубные диски, причем посадочные отверстия не нуждаются в точной обработке: давления столь велики, что любые неровности сглаживаются и металл затекает во все щели, делая соединение еще прочнее.

Среди других экономически рентабельных операций можно назвать раздачу труб на конус, соединение труб между собой без всякой сварки и пайки путем напрессовки их друг на друга, правку листов магнитными молот-

196

ками, гибку и напрессовку деталей с гальваническими покрытиями (любой инструмент, более грубый чем маг­ нитное поле, обязательно повредит тонкую нежную плен­ ку). Магнитное поле идеально чеканит на металлических пластинках всевозможные таблицы, рисунки, матрицы и т. д. Если раздать конец трубы, придав ему сфериче­ скую форму, а потом ввести туда конец второй трубы и раздать его по сфере несколько меньшего диаметра, мы получим так называемый сферический шарнир. Использо­ вание подобных шарниров, набитых консистентной смаз­ кой, в автомобилях позволяет смазывать подвеску в 50 раз реже: через каждые 50—75 тысяч километров про­ бега.

Отсутствие достаточного производственного опыта (до сих пор серийный выпуск установок для магнитной штам­ повки еще не налажен и все работы проводились на лабо­ раторных и экспериментальных машинах) не позволяет сообщить подробных технико-экономических сведений. Но даже отдельные примеры дают достаточное представ­ ление об экономике процесса.

Так, на одном из харьковских заводов нужно было штамповать в день по 2 000 донышек из магниевого спла­ ва диаметром 30 и толщиною 1,2 миллиметра. Каждое донышко рабочему приходилось предварительно греть ацетиленовой горелкой прямо в штампе до 300° С. При магнитной штамповке нагрев оказался не нужным. Штуч­ ное время снизилось с 10 до 1 минуты, экономия на каж­ дой детали составила 25 копеек, и установка, занятая только на этой одной операции, полностью окупилась за несколько дней.

Очевидно, более полно оценить возможности магнитной штамповки и найти для нее новые области применения смогут только сами производственники, работники разных отраслей промышленности.

197

В обход физических свойств

Плазма и железные опилки помогают магнитному полю. Деталь штампует деталь. Мешок со ртутью вместо пуансона. Магнит в аквариуме. Соленоид — перина

«Всякой истине суждено одно мгновение торжества — между бесконечностью, когда ее считают неверной, и бес­ конечностью, когда ее считают тривиальной»,— любил говорить знаменитый французский математик Анри Пуанкаре. Очевидно, эти слова можно полностью отнести

ксудьбам изобретений. Сначала изобретателю приходит­ ся положить уйму труда на разработку своего детища и на то, чтобы убедить маловеров в его жизнеспособности. Но едва успевает оно принять конкретные конструктив­ ные формы и начать внедряться в промышленность, как появляются новые, еще более удачные и универсальные решения той же проблемы.

Вся история магнитной штамповки едва насчитывает пять лет, а изобретатели уже внесли и вносят в этот про­ цесс много новых усовершенствований.

Досадным ограничением магнитной штамповки до сих пор было то, что штамповать удавалось лишь материалы, хорошо проводящие электричество, — медь, серебро, алюминий. Даже нержавеющая сталь с этой точки зрения оказывалась непригодной: из-за высокого электросопро­ тивления заготовок значительная часть энергии расходо­ валась на бесполезный нагрев. Тогда технологи прибегли

кобходному маневру — для улучшения электропроводи­

мости они стали предварительно покрывать металл тон­ кой пленкой гальванической меди или же вести обработ­ ку со «спутником», то есть накладывать на заготовку то­ ненькие алюминиевые листочки.

Ну, а если материал вообще не электропроводен, «про­ зрачен» для магнитных силовых линий, как, например,

198

глина, пластмасса, керметы, сплавы чугуна с камнем и т. д.? Способ, не так давно разработанный Джорджем В. Харви из Сан-Диего, США (американский патент 3092165), позволяет легко штамповать самые разнооб­ разные материалы, причем используется тепло, которое раньше считалось вредным. Суть способа заключается в том, что на заготовку каким-либо образом наносится тон­ чайшая медная или серебряная пленка. Затем заготовка помещается между витками мощного соленоида, как бы образуя его сердечник. Соленоид подсоединяется к моторгенератору или батарее конденсаторов. При разряде в рабочем пространстве мгновенно создается магнитное поле высокой интенсивности. Шквал силовых линий, обрушивающихся на заготовку, раскаляет и сразу же испаряет серебряное или медное покрытие, ибо в нем на­ водятся громадные токи. Заготовку окутывает облачко солнечного вещества — плазмы и ионизированного метал­ лического пара. Магнитные силовые линии, пронизываю­ щие прозрачную паровую рубашку, сжимают ее со скоро­ стью взрыва и заставляют формовать уже саму деталь Чтобы еще больше повысить рабочее усилие этого свое­ образного пароплазменного пресса, можно на помощь плазме впрыснуть в рабочую камеру горстку металличе­ ских опилок.

Таким образом можно прессовать, чеканить, гофриро­ вать, выдавливать рельефы на любых материалах неза­ висимо от их электрофизических свойств. Единственное неудобство способа — необходимость в предварительном нанесении покрытия, что, естественно, усложняет процесс. Однако последние исследования показали, что можно обойтись и без покрытий, если найти другой источник ионизованного газа; например дейтерий (тяжелый водо­ род), пары ртути, натрия или других летучих металлов. Предварительно эти пары нужно ионизовать сильным

199