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

специальный бункер, свивают с помощью вращающегося наклонного барабана в непрерывный канат, нагревают до 900—950° и выталкивают на наковальню парового моло­ та. Удары бойка сваривают стружку в брикеты. Таким способом уже брикетируют стружку на заводе «Вторчермет» в Батайске, на Харьковском электромеханическом заводе и в некоторых других местах. В общем способ неплохой, но все же он обладает двумя существенными недостатками: стружку приходится греть чуть ли не до тысячи градусов, а брикеты не всегда получаются доста­ точно плотными. К тому же способ не позволяет брике­ тировать стружку из высоколегированных и жаропрочных сплавов, что сейчас особенно важно. Объясняется это тем, что даже у паровоздушных молотов с весом падающих частей до 2000 килограммов (например машины Воро­ нежского завода им. Калинина типа М133А) энергия уда­ ра не превышает 7000 килограммометров.

Все эти трудности были хорошо известны сотрудникам кафедры производства летательных аппаратов Харьков­ ского авиационного института, когда они принялись раз­ грызать этот крепкий технический орешек. Для успеха дела требовалась конструктивно простая машина, обла­ дающая как можно большей силой удара. По своему прежнему опыту они знали, что такими свойствами обла­ дают только взрывные копры — машины, использующие энергию взрыва пороха, пропана, бутана или природного газа. И сотрудники кафедры под руководством доктора технических наук Вадима Григорьевича Кононенко при­ нялись конструировать брикетироврчный копер.

Работа была проделана очень быстро, ибо исследовате­ ли шли по проторенному ими пути: перед этим они скон­ струировали взрывные копры для резки стальных слитков при непрерывной разливке, и эти копры уже начали рабо­ тать на Узбекском металлургическом заводе.

230

ко не откатится: центр тяжести его не может сдвинуться под действием внутренних сил и должен остаться на месте.

Первые же испытания, проведенные на Харьковском заводе «Вторчермет», показали прекрасные результаты. После каждого залпа гидравлический поршень выталки­ вал из контейнера массивный брикет весом 10—15 кило­ граммов. По внешнему виду брикеты мало чем отлича­ лись от стальных чушек. Это и неудивительно: плотность их почти достигает плотности сплошного металла. Из них можно сразу делать некоторые детали, правда, не очень ответственные. Брикеты отличаются завидной прочно­ стью. Они не разрушаются во время многочисленных перегрузок при перевозке и служат прекрасной шихтой для мартеновских печей. В опытах брикеты оставались целыми, .падая на стальную плиту с высоты двух метров. Производительность взрывного копра составляет полторы тонны в час, причем стружку, превышающую по толщине полсантиметра, почти не нужно подогревать. Небольшой подогрев до 400—450° нужен лишь для выжигания ма­ шинного масла, смазочно-охлаждающих эмульсий и тря­ почных концов, засоряющих стружку, ибо никакими ме­ ханическими или химическими способами очистить ее не­ возможно.

Высокие давления, развиваемые при взрыве, бешено сдавливают стружку, внедряют ее слои друг в друга, об­ разуя прочные соединения по контактирующим поверхно­ стям. Калейдоскоп сложнейших физических процессов, сменяющих друг друга за тысячные доли секунды, состоит из схватывания и диффундирования, спекания и выжи­ мания окисных пленок. Что-то похожее происходит при заедании вала в подшипнике, при резании металла, при плакировании, холодной и горячей сварке и некоторых других технологических процессах.

232

Исследование готовых брикетов показывает, что проч­ ность их повышается также за счет механического зацепления, причудливого перекручивания стружки. Рас­ сматривая шлифы, можно отчетливо увидеть границы между отдельными ее элементами, но металл этих границ прочен и почти не содержит твердых окисных пленок. Существенно также и то, что при ударном, импульсном нагружении стружка становится как бы мягче, пластич­ нее, подобно глине, легко поддаваясь деформации и со­ храняя приданную ей форму. При обычном же прессо­ вании она более хрупка, похожа на песок, рассыпаю­ щийся сразу же после снятия давления. Это и мешало ее превратить в брикеты.

Немаловажно и то, что на сегодня это единственный способ брикетирования стружки из особо ценных и де­ фицитных, но малопластичпых жаропрочных и нержа­ веющих сплавов.

Поскольку на каждый килограмм стальной стружки

18000 килограммометров. Сконструированная с таким расчетом машина весит всего 5 тонн при длине пять, ширине и высоте не более одного метра. Силовой коп тур у нее замкнут, то есть все развиваемые при работе усилия замыкаются на самой станине, и потому не тре­ буется никакого фундамента. Единственная сила, кото­ рая будет действовать на фундамент — это вес маши­ ны. Так что копер можно ставить прямо на грунт, вернее, па утрамбованную площадку. Для сравнения напомним, что уже упоминавшийся паровоздушный молот с энер­ гией удара всего 7000 килограммометров весит 55 тонн и требует для установки бетонный фундамент объемом полтораста кубических метров. В отличие от молота, взрывной копер легко сделать на любом заводе. Обой­

233

дется он при кустарном индивидуальном изготовлении всего в 5000 рублей, по тысяче рублей за тонну, и оку­ пится примерно через два месяца. Экономия на одной тонне стружки за счет более качественных, а значит, и более дорогих брикетов, за счет снижения амортизацион­ ных и эксплуатационных расходов составляет примерно 20 рублей. В масштабах нашей страны, учитывая, что ежегодно у нас образуется около 5 миллионов тонн стружки, широкое и повсеместное внедрение взрывных копров способно принести 100 миллионов рублей годо­ вой экономии.

Опыты показали, что копер вполне безопасен и не издает большого шума, независимо от того, работает ли он на порохе или на газе.

Для заводов, где не привыкли иметь дело с взрыв­ чаткой, газ гораздо удобнее, тем более, что в этом слу­ чае копер легче автоматизировать и управлять им на расстоянии прямо с пульта. С этой целью изобретатели сконструировали специальную газовую головку, обеспе­ чивающую мгновенное сгорание газо-воздушной смеси. Объем головки — около 20 литров, дозировка газа и воздуха осуществляется автоматически, с помощью за­ ранее отрегулированных электромонтажных манометров. Когда газ из специального баллона или сети наполнит головку до заданного давления, контакты манометра замыкаются и подается сигнал «закрыть впускной кла­ пан». Сразу после этого открывается воздушный клапан, давление смеси доводится до расчетного, и срабатывает система электрозажигания, состоящая из источника тока и обыкновенной авиационной или автотракторной свечи с двумя электродами.

Для засыпки и дозирования стружки, для уборки бри­ кетов машина снабжена простыми вспомогательными устройствами.

234

Детонация в телевизионной трубке

Как усилить взрыв в 5 и даже в 25 раз. Штамповка на собственной кухне. Пресс-водолаз. Штампует детонация

О преимуществах взрывной штамповки, когда давле­ ние пороховых газов мгновенно превращает стальной лист в точно отштампованную деталь, мы уже знаем. Действительно, при этом способе оказываются ненуж­ ными мощные прессы, электроэнергия, резко упрощают­ ся конструкции штампов: от них остаются одни матри­ цы. II все эти упрощения влечет за собой чудодействен­ ная горстка пороха. К сожалению, применение пороха связано и с массой обременительных осложнений. Ведь порох — взрывчатое вещество, а каждому главному ин­ женеру, отвечающему, как правило, за всю технику бе­ зопасности на предприятии, хорошо известно, что это значит. В соответствии со строгими предписаниями «Единых правил безопасности при взрывных работах» сразу же возникает необходимость в специально обу­ ченных людях, отдельных складских помещениях, осо­ бых транспортных средствах. Перевозка, хранение, ис­ пытание взрывчатых материалов превращаются в слож­ ные многоступенчатые «мероприятия», неукоснительно сопровождаемые постоянным ритуалом предосторожно­ стей. Да что перевозка! Один только учет расхода взрыв­ чатки связан с целым потоком служебной документации, пе говоря уже о повышенном внимании и ответственно­ сти. Производственные участки взрывной штамповки приходится изолировать, размещать их за сотни метров от цехов и дорог. Так что для заводов с небольшой тер­ риторией этот способ вообще неприемлем.

Но нельзя ли пользоваться преимуществами взрыв­ ной штамповки и в то же время избежать возни со взрыв­

235

чаткой? На первый взгляд проблема решается просто: вместо пороха нужно взрывать газовые смеси, например пропан, бутан, природный газ, ацетилен с кислородом или воздухом. Эти газы дешевы, доступны, безопасны, привычны для производственников, хранение и перевоз­ ка их не требует каких-то особых мер предосторожности. Да и по калорийности они намного превосходят любую взрывчатку. Так, при сгорании килограмма дымного по­ роха выделяется всего 720 килокалорий, килограмма тротила— 1010, а килограмм водородно-кислородной смеси дает уже 3800 килокалорий. Что касается их срав­ нительной стоимости, то тут и говорить нечего. 1000 ки­ локалорий, полученных от сжигания пороха, стоит 2 руб­ ля 6 копеек, а от сжигания газа — 1—2 копейки.

Как будто бы все говорит в пользу газов. Но первые же попытки использовать их для взрывной штамповки обескуражили инженеров. Рабочих усилий хватало лишь для медных пластинок не толще одной десятой милли­ метра. Дело в том, что начальное давление газовой сме­ си во взрывной камере обычно составляет 8—10 атмос­ фер — при больших давлениях камеру трудно гермети­ зировать в производственных условиях. Взрыв быстро повышает давление газа, однако повышение идет доста­ точно плавно и к концу процесса превышает начальное всего в 7—12 раз. Таким образом, 120 атмосфер — мак­ симум, чего мы можем добиться, взрывая смесь, а этого для штамповки слишком мало.

Получается явное несоответствие, калорийность у га­ зов высокая, а давления взрыва, низкие. Как быть?

Харьковский изобретатель Б. А. Черепенников, заин­ тересовавшийся этой проблемой, быстро разобрался, в чем дело. Обычный взрыв, по его мнению,— малоэффек­ тивный способ преобразования химической энергии в ме­ ханическую работу. Ведь при взрыве пламя от одного

236

слоя газа к другому передается за счет медлительных процессов теплопроводности и диффузии и скорость его движения всегда ниже скорости звука. Продукты горе­ ния, образующиеся непосредственно за фронтом пламе­ ни, в первый момент устремляются в противоположную сторону, что сильно снижает давление в зоне реакции.

Совсем иначе развиваются события при детонации. Мощная ударная волна, мчащаяся со скоростью 3— 3,5 километра в секунду, стремительно сжимает тонкий слой смеси до очень высоких давлений, раскаляет ее до 2000° и приводит к самовоспламенению. Продукты го­ рения движутся вслед за фронтом пламени, и начальное давление смеси увеличивается уже не в 10, а в 50 раз.

Еще большие давления можно получить при так на­ зываемом нестационарном быстром горении. Это мало­ изученный до сих пор процесс, нечто среднее между взрывом и детонацией. Непрерывно разгоняющаяся пе­ ред пламенем ударная волна сначала не в силах вос­ пламенить смесь, но, отразившись от заготовки, как бы удваивает свою силу. В экспериментах, которые прово­ дились в Институте химической физики АН СССР, до­ стигалось 300-кратное повышение давления — в 5—6 раз выше, чем при детонации.

Теперь совершенно ясно, почему изобретатель пред­ ложил вместо взрыва штамповать детонацией (авторское свидетельство 148780). Но как ее вызвать, эту детона­ цию? При воспламенении смеси раскаленной проволоч­ кой, огнем, электрической искрой следует только взрыв. Для детонации необходимо что-то более энергичнее: запал из взрывчатки или, на худой конец, быстро ле­ тящая ружейная пуля. О неудобствах взрывчатки мы уже говорили, ружейный огонь во время штамповки то­ же вряд ли придется по вкусу даже самому отчаянному цеховому мастеру. К счастью, имеется еще один способ,

237

достаточно простой и безопасный. Он разработан в Ин­ ституте химической физики ЛИ СССР и основан на «предварительном получении детонационной волны в трубке малого сечения с последующим выпуском се в объем любой формы». Практически это делается так. К корпусу конической, сужающейся кверху взрывной камеры, приваривают тонкую трубку длиной, равной 5—10 ее диаметрам. Камера с трубкой становится похо­ жей па телевизионный кинескоп. Поскольку трубка внут­ ри должна быть шероховатой, вдоль ее внутренней стенки навивают проволочную спираль. Сверху к трубке подсоединяют манометр для замера давления во взрыв­ ной камере, когда ее заполняют горючей смесыо и кис­ лородом. Рядом монтируют обычную автотракторную свечу. Снизу к взрывной камере крепится матрица. Вот, собственно, и весь детонационный газовый пресс, скон­ струированный изобретателем, если не считать системы впуска газа, состоящей из нескольких трубок, кранов и двух баллонов высокого давления с редукторами. Вмес­ то баллонов можно, конечно, использовать и компрес­ соры.

Закрепив заготовку с помощью кольца-складкодер- жателя на матрице, рабочий соединяет верхнюю и ниж­ нюю части пресса между собой и, открыв краны, подает во взрывную камеру горючую смесь, пока давление не достигает 8 атмосфер. Чтобы в запальной трубке не могла остаться воздушная пробка, немножко смеси стравливают через верхний кран. Затем кран перекры­ вают, и электрическая искра, проскакивающая между электродами свечи, воспламеняет смесь в верхнем кон­ це трубки. Двигаясь вдоль тесного внутреннего канала, пламя разгоняется все быстрее, горючая смесь приходит в беспорядочное движение — «турбулизуется». Наконец, фронт пламени врывается в расширяющийся конус

238

взрывной камеры и следует оглушительная детонация. Не только тоненькие медные пластинки, толстые стальные плиты, не выдерживая ее бешеного напора, покорно при­ нимают форму, задаваемую матрицей. Надо сказать, что взрывная волна равномерно деформирует заготовку по всей площади. Но если хотят добиться идеального постоянства давлений, па заготовку наливают 5—10-сан­ тиметровый слой воды. Чтобы деформации не помеша­ ла воздушная подушка между заготовкой и матрицей, в матрице сверлят сквозные каналы, сообщающие эту по­ лость с атмосферой. Их приходится делать как можно тоньше, иначе они оставят следы, отпечатаются на заго­ товке, снизят прочность матрицы. Когда требуется осо­ бая точность, например при рихтовке, калибровке, лучше всего заранее из штампа откачать воздух, вакуумировать его.

Детонационный газовый пресс настолько прост по конструкции, что его можно сделать в любой механиче­ ской мастерской. Сам изобретатель собрал его почти весь из готовых деталей, пользуясь кранами, трубками, проволокой, которые оказались в тот момент под рукой.

Замеряя с помощью осциллографов и другой элект­ ронной аппаратуры время, давления, скорости деформи­ рования, изобретатель получил очень интересные резуль­ таты. Оказалось, что максимальное давление в конце процесса достигает примерно 400 атмосфер, а вся штам­ повка продолжается не больше одной двухтысячной до­ ли секунды. За это ничтожно малое время центр заго­ товки успеет разогнаться до скорости 300 километров в час и вновь застыть в неподвижности. Движение проис­ ходит с ускорением, почти в полмиллиона раз превосхо­ дящим земное. Живое существо, подвергнутое таким пе­ регрузкам, превратилось бы в радужную мыльную плен­ ку, а ракета за 15 секунд улетела бы дальше Луны.

239