
книги из ГПНТБ / Муслин Е.С. Металл меняет форму
.pdfки. Это совершенно новая оригинальная структура, кото рую невозможно получить никакими другими способами. Пользуясь правом первооткрывателя, Василий Маркелович нарек ее «мартенситом особого рода». Механические свойства его одинаковы во всех направлениях, он имеет исключительно высокую твердость и вязкость.
Вторая зона имеет вид тонкой темной полоски и напо минает троостит, несколько более мелкозернистый и твер дый, чем обычно.
Третья зона — переходная. По сути дела это слабо на клепанный металл, причем наклеп по мере приближения
ксердцевине детали постепенно сходит на нет.
Самыми замечательными свойствами обладает первая
зона. «Мартенсит особого рода», из которого она состо ит, имеет вдвое более высокую усталостную прочность, нежели закаленная сталь, и в шесть (!) раз медленнее изнашивается при трении. Эти парадоксальные резуль таты подтвердили своими экспериментами и другие уче ные, например доктор технических наук Д. А. Драйгор из Киева. Мало того, «мартенсит особого рода» покрывает деталь защитной антикоррозийной оболочкой. Последнее обстоятельство доставляло вначале ученому одни хлопо ты: образцы ни за что не хотели травиться. Их не брала азотная кислота, и это мешало приготовить металлогра фические шлифы.
Интересно, что на одном заводе как-то обточили по методу Беспалова несколько стальных труб. Обточили и, как это еще часто бывает, оставили их валяться на ули це. Весной, когда сошел снег, только эти трубы остава лись блестящими. Остальные покрылись толстым слоем ржавчины.
Однако поистине феноменальной характеристикой но вого мартенсита является его прочность на разрыв. Как известно, у лучших современных сталей она доходит до
70
180 килограммов на квадратный миллиметр. В лаборато риях эту цифру иногда удается повысить до 220, а совсем недавно металловеды фирмы Форд сообщили, что полу чена сталь с прочностью 350 килограммов на квадрат ный миллиметр. Это сообщение явилось для машино строителей настоящей сенсацией. Однако технология получения такой стали чрезвычайно сложна и заключает ся в комбинировании многоступенчатой термообработки с прессованием, при котором степень деформации пре вышает 90 процентов, то есть десятисантиметровые бол ванки приходится расплющивать в тонкие сантиметро вые листы. Для получения высоких давлений требуется специальное мощное оборудование, к тому же обрабаты вать заготовки, обладающие столь высокой прочностью, опять-таки не простая проблема. Что касается «мартен сита особого рода», полученного Беспаловым, то его прочность доходит до 1150, то есть почти достигает вели чины, предельной теоретически достижимой для железа прочности, составляющей 1400 килограммов на квадрат ный миллиметр. Такую прочность, как известно, до сих пор удавалось получать лишь для тончайших микроско пических волоконец — «усов». Это ровно в три раза выше, чем у фордовских инженеров, причем не требуется ника кого специального оборудования и никаких дополнитель ных операций, да и обрабатывать сверхпрочный мате риал уже не нужно — ведь детали готовы. Правда, в от личие от американского метода, здесь упрочняется не все сечение, а лишь поверхностный слой, но в большинстве случаев этого совершенно достаточно. А для деталей машин, работающих при низких температурах, например, в условиях далекого Севера, мягкая сердцевина даже необходима, чтобы детали не стали чересчур хрупкими.
Взять, например, пальцы тракторных траков, скреп ляющих гусеницы. Работают они в очень трудных усло
71
виях: при больших нагрузках, в грязи и песке, ускоряю щих износ. Неудивительно, что менять их приходится через каждые 200 часов. На одной из машинно-трактор ных станций под Краснодаром были испытаны пальцы, обработанные по методу Беспалова. Эти пальцы простоя ли уже 2000 часов — в 10 раз больше.
Стойкость вырубных штампов пуансонов^ для холодной вытяжки только за счет изменения режимов обработки повышается втрое. Ножи к зерноуборочным комбайнам, которые обычно перетачивают дважды в сезон, начинают стоять по два сезона. Наверняка можно найти немало и других деталей и механизмов, где беспаловская обработ ка даст крупный экономический выигрыш.
Резец-снаряд
При сверхскоростном резании износ резцов прекращается
Подобно тому, как самые изысканные деликатесы не могут заменить нам хлеба, ни острые жала электриче ских искр, ни бесшумные электронные резцы, ни едкие озера электролита долго еще не вытеснят из заводских цехов обыкновенные резцы, сдирающие самую ветхоза ветную стружку.
Более того, последние исследования советских и зару бежных ученых открывают принципиально новые пути перед обработкой металлов резанием. Академические, абстрактные на первый взгляд научные работы помогут в десятки раз повысить производительность металлоре жущих станков.
Эксперимент всегда предшествует техническому реше нию. Прежде чем первые реактивные самолеты перегна ли звук, их уменьшенные модели неоднократно штурмо вали звуковой барьер в аэродинамических трубах. Ибо как построить самолет, не зная законов сверхскоростных
72
воздушных потоков? Какие сюрпризы ждут летчика, до гоняющего метеоры?
Те же вопросы встают перед «резальщиками». Как по ведет себя материал при невиданной скорости деформа ции? Не упадет ли катастрофически стойкость резцов, не подскочит ли до недопустимых пределов температура? А что будет со стружкой?
Почти никаких данных об этом у нас до последнего времени не было. Никаких, если не считать предположе ний германского ученого доктора Заломона, что при сверхскоростном течении чугуна температура резания должна падать. Патент ученого за номером 523594 был в 1932 г. куплен Крупном, а сам ученый вскоре погиб от рук нацистов. Никто не продолжил его работы.
После войны изучением сверхскоростного резания за нялись ученые из Сибирского физико-технического НИИ. Под руководством Героя Социалистического Труда ака демика В. Д. Кузнецова здесь был разработан совершен но новый принцип сверхскоростной обработки металлов. Образец вместо пули вставлялся в винтовочный патрон и выстреливался со скоростью 700 метров в секунду. В отличие от пули образец не вращался, так как в стволе специально была уничтожена нарезка. Когда он проле тал сквозь кольцо с закрепленными в нем резцами, рез цы успевали снять фаски, прорезать канавки и даже превратить заготовку в законченную шестеренку. В даль нейшем на таком принципе можно будет создать станкипулеметы, выстреливающие тысячи готовых деталей в ми нуту.
Продолжая исследования, сибиряки усовершенствова ли установку. Они ухитрились определить энергию, те ряемую образцом-пулей при пролете сквозь строй резцов, виртуозно замерили время резания. Сделано это было так. Винтовку укрепили неподвижно, а резцедержатель
73
и приемник деталей — массивный ящик, обитый войло ком, — подвесили на тонких нитях. Выстрел! Резцы чирк нули по образцу, резцедержатель качнулся, дрогнул, при емник, и стрелка отметила это на закопченном стекле. Пролетая мимо резцов, пуля замкнула на тысячную долю секунды электрическую цепь, соответствующий всплеск тотчас взметнулся на экране электронного осциллографа и тут же был сфотографирован скоростной кинокамерой. Зная скорость горизонтальной развертки и длину образ ца, по такой фотографии нетрудно определить продолжи тельность и среднюю скорость резания. Замеры показали, что при скоростях свыше 100 метров в секунду сопротив ление резанию, например, у алюминия, резко падает. По этому обрабатывать его и выгоднее всего на сверхвысо ких скоростях.
Аналогичные результаты были получены учеными Харьковского авиационного института. Построенный ими взрывной копер позволял вести исследования при скоро стях 500 метров в секунду и более. Это в 20—25 раз выше рекордов лучших токарей-скоростников.
Экспериментаторы, работавшие с титаном, доводили скорость до 72 000 метров в минуту — в 5 000 (!) раз выше промышленных скоростей резания этого неподатли вого металла. Предельная скорость, достигнутая экспери ментаторами,— 109 700 метров в минуту.
Главный вывод, полученный из многочисленных экспе риментов, гласит: износ резцов при сверхвысоких скоро стях уменьшается, например, при 45 000 метров в минуту он составляет всего полтора процента от обычного. Впро чем, это верно только для труднообрабатываемых мате риалов, что касается обычных сталей, то износа резцов вообще заметить не удалось. Даже трение почти исчезает, чистота поверхности становится отличной: высоту неров ностей можно довести до сотых долей микрона. И еще од-
74
на интересная деталь. Варьируя режимами сверхскорост ного резания, можно добиться эффекта упрочнения обра батываемой поверхности. Резание как бы совмещается с термообработкой.
Что касается производительности, возможности ее по вышении при сверхскоростном резании безграничны. В то время, как объем стружки, снимаемой в минуту, для обычных станков не превышает 0,5 кубических децимет ра, экспериментаторам удавалось за то же время настро гать целый ворох— 100 кубических дециметров в ми нуту.
Завоевание новой сверхскоростной области раздвигает границы возможного, открывает перед машиностроителя ми заманчивые перспективы. Упростятся автоматические
линии: отсутствие трения и нагрева |
резцов предотвратит |
|
тепловые деформации, снижающие |
точность |
обработки, |
разрушающие хрупкие материалы, |
позволит |
избавиться |
от смазочных масел и охлаждающих эмульсий, от грязи в цехах и вредных паров в воздухе. Прекратится износ инструмента — не нужно будет каждые несколько часов останавливать станки для его смены, снизится брак, ис чезнут аварии.
Итак, все это будет. А сейчас? В авиации уже построе ны оригинальные станки, выстреливающие лопатки на правляющих аппаратов в корпус реактивного двигателя. Пробивая тонкую стенку, лопатки со скоростью пулемет ной очереди встают на уготованные им места. Имеется сверхскоростной фрезерный станок. Его ротор вращает воздушная турбина. Делая 400 000 оборотов в минуту, ми ниатюрная фреза с алмазными или твердосплавными рез цами стремительно вгрызается в самые прочные материа лы. Производительность этого станка — примерно в 10 раз больше любого 'обыкновенного, а чистота обрабаты ваемой поверхности не хуже.
75
Разведка космических скоростей резания только что началась. И в наше время сверхпрочных, хрупких, труд нообрабатываемых материалов ее успехи особенно важны.
Скачущие шарики—универсальный рабочий инструмент
Виброобработка вместо шлифовки, шабровки, закалки. Зеркала из алюминия и меди
Сколько бы ни говорили об исключительной сложности современной техники, нельзя отрицать тот очевидный факт, что большая часть наиболее перспективных и мно гообещающих изобретений основана на очень простых и всем понятных закономерностях, лежащих часто на самой поверхности явлений и непонятно почему никем не заме ченных или не использованных ранее. Примеров тому ве ликое множество: штамповка с помощью сил теплового расширения, универсальное использование электрогидравлического эффекта, а попросту говоря — электриче ского разряда в воде, вытяжка металлических профилей из расплава по методу профессора Степанова и т. д.
К этой же группе можно отнести и виброобкатыва ние —■новый технологический процесс, изобретенный ле нинградским ученым Ю. Г. Шнейдером из Института точ ной механики и оптики (авторское свидетельство 135095). Это крупное изобретение, сулящее многим отраслям ма шиностроения миллионные выгоды, основано на том простом факте, что беспорядочно мечущийся по металли ческой поверхности каленый стальной шарик при том же давлении сминает металл сильнее, чем шарик, катящийся в каком-нибудь определенном направлении. Именно «эф фекту прыгающего шарика» обязан новый технологиче ский процесс всеми своими преимуществами.
76
Будучи еще аспирантом, Юрий Григорьевич начал ис следовать обкатывание — отделочную операцию, при ко торой стальной шарик или ролик используют для уплотнения металлических поверхностей. Преимущества обкатывания перед чистовой обточкой или шлифовкой широко известны. Они заключаются в получении поверх ностей очень гладких, высокой чистоты, и в то же время твердых, износоустойчивых, с повышенным сопротивле нием усталости. Экономичность технологии и простота из готовления инструмента — всевозможных роликовых оп равок— обеспечили обкатыванию зеленую улицу на производстве. Давление твердого инструмента пластиче ски деформирует, сминает выступающие микронеровно сти, заставляет затекать материал «гребешков» во впади ны. В отличие от резания при обкатывании металлические волокна остаются целыми, а тепло почти не выделяется, так что детали не нагреваются, не отпускаются, а на их поверхности не появляется прижогов, как при шлифо вании.
Хотя физическая суть обкатывания проще, чем резания или шлифования, и сводится в основном к пластическому деформированию, многое в этом процессе было еще неяс но. Почему, например, при обкатывании галтелей металл становится гладким, как зеркало, а при обкатывании валов поверхность получается намного хуже? Отчего это зависит? Исследования показали, что все дело в прос кальзывании. Чем оно больше, тем больше трение сколь жения, тем больше происходит сдвиговых деформаций и тем поверхность получается хуже. При обкатывании гал телей инструмент не движется вдоль заготовки, между ними скольжения почти нет, поэтому и поверхность полу чается наилучшей. Отсюда Юрий Григорьевич сделал первый вывод — для обкатывания лучше брать шарик, а не ролик: у шарика нет принудительной оси, она может
77
самоустанавливаться в зависимости от взаимного движе ния инструмента и детали, значит, проскальзывание будет минимальным. На этой закономерности основан разрабо танный изобретателем способ получения зеркальных по верхностей.
В простой державке — рамке из листопого металла — укрепляют стальной шар от шарикоподшипника. Чтобы предельно уменьшить проскальзывание по детали, шар выбирают диаметром побольше, порядка 120 миллимет ров, и поджимают его сзади и сбоку двумя шарикопод шипниками. Теперь достаточно малейшего усилия, чтобы шар завертелся в своей опоре. Рамку ставят в резцедер жатель токарного станка вместо резца и подводят шар к плоскому диску, вращающемуся в трехкулачковом пат роне. Через несколько секунд в этот диск можно смот реться, как в зеркало, причем в зеркало с очень высокой отражательной способностью. Чистота обработанной по верхности уже после одного прохода достигает 13—14-го классов. До сих пор получение зеркальных поверхностей на стали требовало колоссального труда, многократной шлифовки, полировки, доводки. А сделать зеркало из алюминия или меди считалось вообще невозможным: абразивные зерна проникают в мягкий металл, царапают, шаржируют его, и поверхность неизбежно получается ма товой.
Новым способом уже заинтересовались на заводах, где выпускают электрические рефлекторы. Видимо, он полу чит широкое распространение и в автомобилестроении, и в авиации, и в строительной индустрии — везде, где тре буются зеркальночистые детали и панели из стали, алю миния, цветных металлов.
Итак, шарики во многих отношениях лучше роликов. Но некоторые существенные недостатки присущи им обо им. Так, при обкатывании валов на токарных станках
78
