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

ки. 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

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