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

Ее квинт-эссенция, так сказать формула изобретения, сводится к трем основным пунктам: при электроимпульсном способе продолжительность разрядов в сотни раз больше, чем при электроискровом, и достигает иногда сотой доли секунды — для короткоживущей электриче-

НЕЗАВИСИМЫИ

ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ

Э Л Е К Т Р О Д -

ИНСТРУМЕНТ

ИМПУЛЬСНЫЙ

ДУГОВОЙ

РАЗРЯД

ДЕТАЛЬ

Схема электроимпульсной обработки.

ской искры это целый океан времени; перерывы между разрядами меньше; инструмент подключается не к отри­ цательному, а к положительному полюсу источника тока. Из перечисленных обстоятельств и вытекают все преиму­ щества электроимпульсного метода. Большей длительно­ сти разряда соответствует более низкая температура: «всего» 4—5 тысяч градусов вместо 10 тысяч. Применив для инструмента тугоплавкий углеграфитовый материал, изобретатели во много раз снизили износ инструмента. Поскольку при 5 тысячах градусов металла испаряется гораздо меньше, чем при 10 тысячах, снижается расход электроэнергии.

270

Уменьшение пауз между разрядами позволяет подво­ дить к электроду-инструменту уже не полтора-два, а не­ сколько десятков киловатт. Внешне электрод похож на пуансон штампа, только вместо тысячетонных усилий, вы­ давливающих деталь, ее выгрызают электрические раз­ ряды, причем обработка детали, будь то миниатюрная турбинная лопатка или полутораметровая ковочная мат­ рица для коленчатого вала, ведется сразу по всей поверх­ ности.

В ЭНИМСе, в лаборатории электрических методов обработки, можно посмотреть импульсный станок в дей­ ствии. Самого электрода и обрабатываемой детали не видно: их покрывает непроницаемочерный слой машин­ ного масла. Там, в глубине, беспорядочно бегают кро­ шечные огоньки. Это вспыхивают электрические дуги, оставляя на поверхности детали маленькие лунки. Выпла­ вившиеся металлические частички выскакивают из лунок со скоростью до 1000 метров в секунду и тут же осты­ вают, превращаясь в крохотные шарики. Шарики, в отличие от стружки, представляют собой ценное сырье для порошковой металлургии. Сливаясь друг с другом, лунки слой за слоем «слизывают» металл с поверхности детали, а автоматическое кибернетическое устройство непрерывно подводит электрод.

Выше мы назвали электроимпульсную обработку изо­ бретением. В действительности это «многодетное семей­ ство», состоящее из десятков изобретений, сделанных начальником лаборатории А. Лившицем, кандидатом технических наук А. Кравецом, главным инженером проекта А. Сосенко, инжене-ром А. Ароновым и другими. Ведь просто предложить новый метод — еще полдела. Нужно было создать, кроме того, во-первых, специаль­ ные источники питания, так называемые генераторы униполярных импульсов (авторское свидетельство

271

101332). Сейчас их производство превратилось в целую отрасль электротехнической промышленности. Ну­ жен был, далее, угле-графитовый материал для электро­ дов (авторское свидетельство 122012), один килограмм которого заменяет 200 килограммов меди. Наконец, был придуман и способ изготовления электродов.

Хотя электроды отличаются большой стойкостью, все-таки и они изнашиваются, особенно когда приходится делать сотни и тысячи одинаковых штампов. С такой проблемой производственники сталкиваются, например, на обувных предприятиях (твердосплавные штампы для подошв), на кондитерских фабриках (фигурные штампы для печенья), на металлургических заводах (валки для прокатных станов), на шинных и пластмассовых фабри­ ках (прессформы) и т. д. Конечно, слесарю не так уж трудно придать самую сложную форму относительно мягкому графиту, но ручная работа — не самая эффек­ тивная, и действительно вихревой способ, предложен­ ный инженером А. Ароновым (авторское свидетельст­ во 140656), оказался гораздо производительнее. Способ этот настолько оригинален, что о нем стоит рассказать подробнее. Заключается он в следующем. Получив за­ каз, слесарь вручную изготавливает из графита одинединственный электрод. Пользуясь электродом как ин­ струментом, он вырезает на электроимпульсном станке в прямоугольной стальной болванке полость с острыми кромками. Форма полости точно соответствует электроду. Если с помощью этой болванки сделать теперь из песка «куличик», то он, как две капли воды, будет похож на электрод-образец.

Но нам нужен «кулич» не из песка, а из графита. Пожалуйста. Нажимая на болванку и слегка поворачи­ вая ее из стороны в сторону, можно вдавить болванку в графит, вырезав из него новый электрод. Для этой

272

цели в ЭНИМСе изготовлен специальный станок. Внеш­ не он похож на токарный. Только инструментом ему слу­

движение, а деталь закреплена как бы в задней бабке. Кстати, таким способом можно резать не только графит, но и дерево, получая за одну операцию весьма сложные

детали.

Какова область применения электроимпульсной об­ работки? В основном изготовление деталей сложных геометрических форм из труднообрабатываемых сплавов. Это литейные формы, ковочные штампы, пресс-формы для штамповки пластмасс, сита для химических аппара­ тов, лопатки и целые турбинные колеса. Последнее осо­ бенно важно, ведь на лопатки падает большая часть ра­ боты по изготовлению турбореактивных двигателей, газо­ вых и паровых турбин.

В качестве примера, дающего представление об эффективности электроимпульсной обработки, можно привести случай с крыльчатками маленьких газовых тур­ бин для тепловозов. Чтобы изготовить одну крыльчатку, высококвалифицированный фрезеровщик должен затра­ тить полтора месяца. Электроимпульсный станок выпол­ няет ту же работу за 20 часов, причем тремя станками управляет один оператор. Что касается сит из нер­ жавеющих сталей, увеличивающих производительность химических центрифуг в 2—3 раза, то никакими другими способами, кроме электроимпульсного, сделать их вообще невозможно.

Приоритет советских изобретателей признан и за рубе­ жом. О нем свидетельствуют многочисленные патенты, полученные в Швеции, ФРГ, Италии, Франции, Бельгии и других странах. Перевитые разноцветными ленточками, они подтверждают, что «синьоры», «месье» и «ми­

273

стеры» из ЭНИМСа являются действительными автора­ ми ценных изобретений.

Вот что писала в 1963 г. французская печать: «Техническая разработка русских инженеров оказала

благотворное влияние на многие исследования и позво­ лила получить такие результаты, которых еще не доби­ лись западные исследователи...

Станок, основанный на этом принципе, был показан в действии на Миланской выставке. Эта демонстрация наиболее полно раскрыла способности советских спе­ циалистов и показала, что они всегда имеют успех во всех разрабатываемых ими вопросах. Советское оборудование для электроимпульсной обработки металла отличается одновременно высокой производительностью, легкой уп­ равляемостью процесса, ничтожно малым износом электродов-инструментов и особенно возможностью лег­ кого изготовления деталей сложной формы».

Как подсчитали экономисты, электроимпульсный метод способен принести нашей стране годовую экономию по­ рядка 70 миллионов рублей. Для широкого внедрения его в промышленность в крупных индустриальных центрах уже созданы специальные школы по обучению производ­ ственников.

Скоростная электрохимия

Проволока в едком натре. Электрохимическое фрезерование. Фасонные детали

в ванне с электролитом

Наряду с электрическими и электронными методами в «чистом виде» все шире применяют комбинированные электрохимические методы обработки. Они отличаются универсальностью и большим разнообразием. Так, сейчас уже можно говорить об электрохимическом фрезерова­

2 7 4

нии, сверлении, шлифовании, маркировке и заточке ин­ струментов.

Все эти виды обработки основаны на явлении так называемого анодного растворения. Оно заключается в том, что при прохождении тока через электролит металл заготовки, подключенной к положительному полюсу источника тока, переводится в ионное состояние и рас­ творяется в электролите. В качестве электролита часто применяют водный раствор хлористого натрия — пова­ ренной соли.

Как и электроэрозионная обработка, электрохимичес­ кая характеризуется почти полным отсутствием движу­ щихся деталей и больших усилий. Твердость и прочность металла не влияют на скорость обработки: быстрота рас­ творения анода, будь он из мягкой меди или хрупкого карбида вольфрама, от этого не зависит, важна лишь сила протекающего через него тока.

Особенно целесообразно применять электрохимические методы для обработки сложных фасонных деталей, от ко­ торых требуется высокая чистота поверхности, например турбинных лопаток. Тем более, что их делают из жаро­ прочных сплавов, плохо поддающихся режущему инстру­

и наоборот. Вот электроды сблизились, и рабочий включил ток. Заготовка тотчас же стала растворяться с поверх­ ности. Заработал насос, и струя электролита с большой скоростью заструилась между электродами, вынося рас­ творившийся металл из зоны обработки и не давая ему осесть на инструменте — катоде. Растворение металла подчиняется строгой закономерности: там, где расстояние между электродами минимальное, проходит ток макси­

2 7 5

мальной силы, и анод растворяется быстрее всего. В ре­ зультате заготовка автоматически принимает форму, обратную форме инструмента — катода. Поскольку на инструмент не действуют никакие механические нагруз­ ки, и он совершенно не изнашивается, вовсе не обяза­ тельно делать его из металла. Металл вполне способны заменить дерево или пластмасса, на которую нанесен токопроводящий слой. Деревянный пли пластмассовый электрод изготовить, естественно, гораздо легче. Элек­ трохимический способ ускоряет обработку турбинных лопаток в десятки раз, а точность получаемых деталей достигает нескольких тысячных долей миллиметра.

Сейчас существуют высокопроизводительные электро­ химические станки, работающие на токах громадной си­ лы — до десяти тысяч ампер. Любопытно, что при рабо­ те на таких станках приходится принимать специальные меры предосторожности: при растворении анода на като­ де выделяются пузырьки водорода, который, смешиваясь с кислородом воздуха, образует гремучий газ — взрывча­ тое вещество большой силы. Чтобы этого не происходило, станки приходится снабжать специальными отсасываю­ щими устройствами.

Почти для всех видов обработки металла существует одно досадное ограничение — величина детали. Слиш­ ком длинный вал или колесо большого диаметра невоз­ можно установить на станок; для детали большой площа­ ди у пресса может не хватить мощности; при взрывной штамповке нужны гигантские матрицы. Для электрохи­ мика подобных ограничений практически нет. Ему нуж­ на лишь достаточной емкости ванна, куда можно опустить всю деталь, будь то кусок корабельной обшивки или це­ лое самолетное крыло. В ванну наливают электролит, присоединяют деталь к положительному электроду и включают ток. Никакого специально профилированного

276

инструмента при таком способе не требуется, просто электролит разъедает сразу всю поверхность детали, кроме тех мест, что покрыты специальным защитным составом. Защитный состав наносят с помощью трафаре­ тов. Кстати, такой способ годится не только для очень крупных деталей, но и для очень мелких. Нанеся на боль­ шой кусок тонкой фольги или жести кружки и колечки токозащитным составом, можно в один прием получить тысячи шайб и прокладок. В этом случае защитный со­ став наносят фотохимическим способом.

Как мы уже говорили, электрохимическая обработка характеризуется отсутствием движущихся деталей, раз­ ве что катод со скоростью нескольких миллиметров в ми­ нуту надвигается на деталь. Однако последние исследо­ вания показали, что иногда есть смысл сделать электрод неподвижным, а заготовку вращать. На этом принципе в США выпущен электрохимический «токарный» станок. На нем можно обтачивать цилиндры и конусы, обраба­ тывать торцы, прорезать отверстия и канавки. Деталь, вращающаяся со скоростью 200 оборотов в минуту, по­ лучается в результате такой обработки более точной п более гладкой.

К вращению деталей прибегают и в случае электрохи­ мического шлифования и заточки. На первый взгляд они почти не отличаются от обычной шлифовки: точно так же вращаются деталь и шлифовальный круг, снимая металл. Однако точные замеры показали, что девять десятых ме­ талла снимаются за счет его электрохимического раство­ рения в струе электролита и лишь одна десятая —- за счет абразивного действия круга. Собственно, круг здесь вооб­ ще играет сугубо вспомогательную роль: он просто раз­ рыхляет постоянно образующуюся окисную пленку, за­ держивающую растворение. Уменьшается износ круга, шлифование удешевляется в 5 -10 раз. Но дело не толь-

2 7 7

ко в этом. Ведь при обычном шлифовании в точках кон­ такта абразивных зерен с деталью развиваются очень высокие температуры. По этой причине нельзя шлифовать некоторые высокопрочные и чувствительные к нагреву сплавы. При электрохимическом же шлифовании высо­ ких температур нет.

Для радиотехнической и электроламповой промышлен­ ности требуется тончайшая проволока и фольга из мо­ либдена и вольфрама. Вытягивать эти металлы обычны­ ми способами до малых толщин весьма затруднительно из-за их высокой твердости и низкой пластичности. Обще­ принятая технология оказалась бессильной. Зато электро­ химики довольно легко справляются с подобной задачей. Предварительно изготовленная толстая вольфрамовая проволока непрерывно протягивается через трубу, погру­ женную в ванну с электролитом, например с едким на­ тром. Труба, как вы уже, наверное, догадались, является катодом, а проволока анодом. Проходя через электролит, проволока «худеет», частично растворяется до тех пор, пока не достигнет нужной толщины. Таким способом по­ лучают вольфрамовые волоски диаметром 7—10 микрон.

Если проволоку сделать потолще и соединить ее уже не с анодом, а с катодом, а охватывающую ее трубу превра­ тить в анод, то, очевидно, растворяться в электролите бу­ дет не проволока, а труба. Именно так полируют трубы из нержавеющей стали, которых так много в химической ап­ паратуре. Действительно, каким другим способом суме­ ете Вы очистить внутреннюю поверхность длинных и тон­ ких труб от окалины и загрязнений? При чисто химиче­ ской очистке, например, плохо поддаются места с утол­ щенной окалиной, а также возникает точечная коррозия. Электрохимическое полирование, наоборот, обеспечивает трубам гладкость, резко повышает стойкость их против коррозии и уменьшает их гидравлическое сопротивление.

278

Это дает значительный выигрыш в последующей эксплу­ атации.

Раз мы заговорили о повышении антикоррозийной стойкости металла, следует упомянуть еще об одном важном применении электрохимического полирования. Речь идет о полировании сварных швов. Сейчас вряд ли можно найти химический аппарат, будь то лаборатор­ ная центрифуга или вытяжной шкаф, не говоря уже о ги­ гантских газгольдерах, реакторах, колоннах, трубопро­ водах, придающих характерный вид химическим заводам и комбинатам, который был бы выполнен без помощи сварки. Однако при всей прогрессивности сварочной тех­ нологии у нее имеется существенный недостаток: свар­ ные швы самое уязвимое место для коррозии. Объясняет­ ся это наличием в зоне сварки окалины. А стоит корро­ зии только начаться, как из металла шва начнут выпадать шлаковые включения, нарушится герметичность соедине­ ния, и аппарат выйдет из строя. Чтобы этого избежать, окалину нужно удалить. Обычные механические средст­ ва — пневматические зубила, проволочные щетки — свя­ заны с очень трудоемкими работами и не всегда дости­ гают цели. Применить электрополировку тоже не просто: для сверхкрупногабаритных аппаратов понадобились бы громадные ванны, реки электролита и мощные источники постоянного тока. Поэтому был разработан специальный способ — электрополировка с выносным катодом. Таким катодом может служить простая малярная кисть из кон­ ского волоса, снабженная токоподводящим приспособле­ нием. Кисть присоединяют к отрицательному полюсу источника тока, а очищаемое изделие к положительному. Процесс электрополировапия заключается в том, что рабочий время от времени смачивает кисть электролитом и водит ею по очищаемому месту. После полирования светлую блестящую поверхность металла промывают

2 7 9