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

электрическим разрядом, ярким световым лучом, радио­ волнами — словом, тем, чем в данном случае удобнее.

Конструкция установки, предназначенной для электроплазменной штамповки, довольно проста. Вся она упря­ тана в герметический газонепроницаемый кожух, откуда воздух выкачивается вакуум-насосом. Соленоид жела­ тельно сделать из достаточно жаропрочного материала с хорошей электропроводностью, например из молибдена. Число витков соленоида и их сечение, емкость конденса­ торной батареи или пиковую мощность мотор-генератора подбирают из условий прочности и величины расчетного магнитного поля в рабочем пространстве. В зависимости от формы заготовки соленоиду придают плоскую, цилин­ дрическую или коническую форму. При прессовании труб­ чатых заготовок, заполненных металлокерамическим по­ рошком, с обеих сторон ставят массивные поддерживаю­ щие заглушки из тяжелого материала, например карбида вольфрама. Перед формовкой заглушки посредством ав­ тономной электромагнитной системы приводят в колеба­ тельное движение с ультразвуковой частотой. Вибрация, передаваясь порошку, нагревает его, а мощный магнит­ ный импульс разом превращает трубу и порошок в моно­ лит. При длине трубы-заготовки 60, толщине 1,5 и диа­ метре 50 миллиметров требуется пятивитковый соленоид, батарея конденсаторов емкостью 1 200 микрофарад и на­ пряжением 14 000 вольт. Разрядный ток, достигающий миллиона ампер, наводит на поверхности заготовки маг­ нитное поле интенсивностью 1 миллион гаус и нагревает ее до 3 000°. Причем весь процесс длится меньше одной десятитысячной доли секунды.

Можно упомянуть еще об одном интересном примене­ нии магнитного поля, пришедшем изобретателю в голову во время работы над электроплазменной штамповкой. Мы уже говорили о том, что магнитное поле мгновенно

200

испаряет тонкие металлические пленки, покрывающие непроводящие материалы. Харви предложил использо­ вать это явление для очистки пластмасс и керамики от металлических загрязнений.

При всем своеобразии штамповки магнитным нолем ра­ бочий инструмент и в этом случае состоит из двух основ­ ных деталей — матрицы и пуансона. К заготовке, лежа­ щей на матрице, подносят электрический пуансон, так называемый «магнитный молот» — плоский диск с заде­ ланной в него токоведущей спиралью, — и по этой спира­ ли пропускают мощный электрический импульс. При вза­ имодействии токов в молоте и в заготовке, как известно, возникают большие давления, обжимающие заготовку по матрице.

Куйбышевский изобретатель Петр Яковлевич Пытьев недавно предложил новую оригинальную разновидность магнитной штамповки, позволяющую обойтись даже без молота. Правда, матриц требуется две, но и деталей по­ лучается сразу две.

Сначала собирают штамповый блок. Он состоит из двух матриц, все равно, одинаковых или разных, обращенных своими полостями друг к другу, и двух листовых загото­ вок, зажатых между ними. Матрицы не должны прово­ дить электричество. С этой целью их можно отформовать хотя бы из эпоксидных смол с тонконепроводящими на­ полнителями. Между заготовками с одной стороны кла­ дут латунную пластинку, с другой — прокладку из изо­ ляционного материала, например из стеклотекстолита. Теперь к одной из заготовок подводят ток. Мощный элек­ трический импульс. Сначала он пробегает по одному листу, потом через латунную пластинку попадает на вто­ рой. Таким образом, токи устремляются по двум метал­

201

лическим проводникам-заготовкам во взаимно противопо­ ложные стороны. Как известно из школьного курса физи­ ки, проводники при этом отталкиваются. Отталкиваются друг от друга и паши заготовки, да с такой силой, что металл плотно обжимает обе матрицы. Этому способству­ ет и то обстоятельство, что токи большой силы мгновен­ но раскаляют заготовки, размягчают металл и облегчают деформацию.

Другое изобретение Пытьева (авторское свидетельство 164872) имеет целью отдать под власть магнитной штам­ повки все материалы, независимо от их электромагнит­ ных свойств. Запатентованный способ — своего рода гиб­ рид, одновременно похожий и на магнитную штамповку и на штамповку резиновым пуансоном.

Матрица в этом случае делается обычная, только вы­ полнять ее обязательно нужно из немагнитного и не­ проводящего материала. А вот штампующий элемент — пуансон, он же и пресс, представляет собой эластичную оболочку из пластмассы или резины, наполненную ртутью. Ртуть выбрана потому, что она обладает хоро­ шей электропроводностью. Оболочка наоборот не должна проводить электричество. Крепится оболочка к пластмас­ совому контейнеру, в тело которого запрессован индук­ тор — толстая медная спираль. Концы этой спирали вы­ ведены за пределы контейнера для присоединения к энер­ гетической установке. Когда по спирали индуктора про­ носится сильный электрический импульс, то вокруг, как мы уже знаем, возникает мощное магнитное поле. По тяжелой серебристой ртути начинают гулять вихревые токи. В результате их взаимодействия с магнитным полем индуктора ртуть с силой отталкивается от контейнера, растягивает оболочку, устремляется вниз, к заготовке, и плотно обжимает ее по фигурной матрице.

202

Электрогидравлическая штамповка, предложенная ле­ нинградским инженером Львом Александровичем Юткиным, сейчас широко используется во всем мире. Она ос­ нована, как известно, на действии ударных воли, возни­ кающих при мощном электрическом разряде в жидкости. При всех своих достоинствах этот метод имеет и много недостатков. Силу удара трудно точно регулировать, а от этого зависит подчас качество детали, энергетический к. п. д. искры довольно-таки низок, жидкость, в которой она проскакивает, начинает испаряться, электроды быст­ ро эродируют, и их приходится заменять и т. д.

Магнитная штамповка тоже имеет свои недостатки. Развивая колоссальные усилия, она в своем классиче­ ском виде неспособна обеспечить больших по величине деформаций — рабочий ход магнитного пуансона всегда очень мал.

В начале 1965 года американский изобретатель Га­ рольд Фэрс из Беркли, Калифорния, запатентовал новую разновидность штамповки, где опять-таки участвуют и сильные электрические токи, и вода, и магнитные поля. Нет только подводной искры-молнии (патент США 3167043). В какой-то степени новый способ напоминает и электрогидравлическую, и электромагнитную штамповку, являясь как бы их гибридом. Вряд ли можно согласиться с изобретателем, глубоко убежденным, что его детище полностью лишено каких-либо недостатков, однако опре­ деленными преимуществами и новизной оно обладает.

Прочный металлический бак до краев наполнен водой. В одной его стенке вырезано окно, задраенное пласти­ ной из изоляционного материала. Через пластину прохо­ дят медные шины — мощные проводники, подводящие ток к гибкой металлической мембране, изогнутой в виде вытянутого уплощенного эллипса. Когда через мембрану пропускают электрический импульс, противоположные

203

стороны эллипса, по которым токи идут в противополож­ ных направлениях, стремятся оттолкнуться друг от друга. Эллипс с силой выпучивается, резким рывком превраща­ ясь в круг и порождает гидравлический удар — мощный всплеск давления, распространяющийся в жидкости со скоростью звука. Параллельно вытянутой стороне эллип­ са в баке устанавливают матрицу с заготовкой. Гидрав­

лический удар вдавливает заготовку в полость матрицы и превращает ее в отштампованную деталь. При длитель­ ности разряда, а ее нетрудно регулировать чисто элек­ трическим путем, близкой к длительности деформирова­ ния, к. п. д. процесса приближается к единице. Так же легко можно варьировать силу и даже форму фронта ударной волны. Если вместо воды наполнить бак горячим расплавом химически инертной соли, мы получим воз­ можность штамповать горячие заготовки. Наконец, бак можно налить доверху и плотно закупорить. Тогда при медленном вспучивании эллиптической матрицы в баке не образуется ударных волн, зато давление начнет плавно повышаться, и мы получим магнитогидравлический пресс,

204

с помощью которого за каждый цикл можно штамповать сразу по нескольку заготовок, вместе со своими матрица­ ми, помещенными в жидкость.

Что делают технологи, если мощности пресса не хвата­ ет, чтобы отштамповать большую деталь? Они начинают штамповать ее по кусочкам, по секциям. Поэтому такой

*\ \

Гибкий соленоид легко изгибается.

метод и называется секционной штамповкой. Американ­ ские инженеры Гюнтер Пфаннер и Ллойд Харбор из Нью-Йорка недавно запатентовали секционный метод, но уже применительно к магнитной штамповке (патент США 3115857). Для нее это особенно важно, ибо создавать большие по протяженности магнитные поля очень трудно.

Сконструированное изобретателями устройство пред­ ставляет собой плоский соленоид в виде гибкой токоведу­ щей спирали из стального кабеля с медной оплеткой. Спи­ раль запрессована в мягкую резиновую оболочку. Это дает то преимущество, что не нужно для каждой детали делать свой соленоид. Мягкий соленоид по замыслу изо­ бретателей легко приобретает любую форму. Во время

205

штамповки под то место детали, которое в данный момент штампуется, подставляют матрицу с углублением соот­ ветствующей формы. На деталь кладут гибкий солено­ ид — магнитный пуансон и слегка прижимают его сверху подушкой, сделанной также из мягкой резины. После каждого электрического импульса магнитное поле вдав­ ливает металлический лист в матрицу и соленоид, изги­ баясь под давлением легкого нажимного устройства, «преследует» его до конца. Поскольку и соленоид, и на­ жимное устройство можно переносить с места на место, такой способ позволяет обрабатывать многометровые стальные листы, делать, например, выштамповки в лю­ бом месте уже сваренного пароходного корпуса и т. д.

Песчинки гнут металлический лист

Деталь звенит, как эолова арфа. Упругость не мешает точной работе

Листовой прокат — основная заготовка, которой сегод­ ня металлурги снабжают машиностроителей. Действи­ тельно, лист очень удобен. Его легко резать и гнуть, вы­ тягивать, сваривать, штамповать. Гибочные вальцы, кри­ вошипные прессы, гильотинные ножницы, сварочные автоматы — с их помощью из листа можно сделать все, что угодно. Все, кроме одного. Мы не умеем гнуть листы, не снижая их упругости. Любая попытка придать листу малый изгиб кончается неудачей — лист отпружинивает, возвращается в исходное положение. Единственный до сих пор известный способ преодолеть это — нагреть металл, лишить его упругости.

Недавно два американских изобретателя Говард Ход­ жес и Эрви Мак-Гайр из Рочестера запатентовали новый способ, позволяющий обойтись без нагрева (патент США 3000425). Им нужен был большой, но очень слабо изог-

206

нутый металлический лист для контактной печати фото­ снимков, лист, который бы обеспечивал хороший плотный контакт мягкой фотобумаги с негативом. Лист нужен был настолько упругий, чтобы он мог полностью выпрямлять­ ся, а затем снова восстанавливать первоначально задан­ ную ему слегка изогнутую форму. Попытки согнуть лист

Постепенно песчинки изгибают металл.

на вальцах ни к чему не привели, лист либо оставался прямым, либо терял упругость. Тогда изобретатели поло­ жили лист плашмя и стали обдувать его частичками пес­ ка, пескоструить, водя форсунку вдоль намеченной линии сгиба. И через несколько секунд лист действитель­ но изогнулся, середина его приподнялась над плоскостью опоры. Почему это произошло, легко понять, вспомнив, почему изгибаются биметаллические пластинки при нагреве. Металл, имеющий больший коэффициент тепло­ вого расширения, раздается сильнее, и пластинка с его стороны становится выпуклой. Точно так же и здесь. Уда­ ры песчинок (можно использовать и абразив с жид­ костью, стальную дробь, стеклянные шарики и т. д.) слег­ ка деформируют поверхность металла, наклепывают его,

207

заставляют расшириться. В результате пластинка гнется. Поскольку толщина наклепанного слоя ничтожна, меха­ нические свойства металла — прочность, упругость прак­ тически не меняются. Простой шаблон-кассета, в которую закладывается лист, позволяет получить точно такую стрелу прогиба, которая требуется. Дело в том, что металлический лист, обдуваемый струйкой песка, начина­ ет вибрировать, звенеть, как эолова арфа. По мере изги­ ба середина листа все ближе и ближе поднимается к стенкам кассеты. Как только она их коснется, вибрация прекращается, и лист перестает «петь».

Таким способом изобретатели, подмешивая песок в струю воздуха, сжатого до пяти с половиною атмосфер, гнули алюминиевые пластинки толщиной в один милли­ метр. На всю операцию требовалось меньше тридцати секунд.

Очевидно, этот же способ пригоден и для выпрямления случайно изогнутых листов. В последнем случае лист укладывают в кассету с высотой рабочего пространства, равной толщине листа плюс допуск на изгиб, вогнутой стороной кверху, и начинают его пескоструить. Как толь­ ко лист выпрямится, кромки его перестанут касаться кассеты, и он зазвенит, как бы сообщая: «готово».

Маятник на прокатном стане

Тонкая лента — за один проход

«Валки раскатывают металлическую полосу, как тесто». Такое сравнение всегда прихЬдит на ум, когда следишь за работой прокатного стана. Однако не всякий металл податлив, как тесто. Цирконий, титан, жаропроч­ ные и нержавеющие стали плохо поддаются деформации. Тонкую ленту из них на обычном прокатном стане не прокатаешь.

208

Недавно на одном из металлургических заводов в Бир­ мингеме (Англия) был построен стан холодной прокатки принципиально повой конструкции.

Если прокатные валки в обычных станах — мощные стальные цилиндры, вращающиеся в подшипниках, наглу­ хо заделанных в станины, то у нового стана они чрезвы­ чайно тонки, легки и непрерывно качаются.

Вместо неподвижных жестких станин опорами им служат... маятники. Два маятника расположены один против другого так, что у одного ось наверху, как у маят­ ника стенных часов, а у другого внизу, как у метронома. Маятники приводятся в движение мотором и качаются строго синхронно, совершая от 500 до 2600 качаний в минуту.

Заготовки подаются в зазор между валками; качаясь, они сходятся и расходятся, с каждым качанием разминая и обжимая металл.

При прокатке в обычных станах за каждый проход ме­ талл лишь один раз испытывает давление валков. Поэто­ му для получения тонкой ленты приходится пропускать его через станы десятки раз. А между проходами, чтобы восстановить у металла пластичность и очистить его от окалины, необходимы отжиг и травление — операции, требующие дополнительных затрат и времени.

При новом способе прокатки металл, проходя между качающимися валками, сотни раз испытывает их давле­ ние. За один проход он раскатывается так, что толщина его уменьшается в 10—12 раз. Разумеется, во столько же раз увеличивается скорость выхода ленты из прокатного стана.

Так как прокатка производится не одним мощным на­ жимом, а сотнями, давление невелико и конструкция ста­ на может быть необычайно легкой, а мощность двигате­ лей небольшой.

209