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

Юрий Григорьевич приступил к новой серии опытов. С определенным, строго постоянным усилием он прижи­ мал каленые шарики к металлическим поверхностям и заставлял их двигаться самым разнообразным и причуд­ ливым образом, а потом замерял глубину деформации. Оказалось, что хуже всего вдавливаются неподвижные шарики, пытающиеся преодолеть препятствие, так ска­ зать, в лоб. Чуть-чуть лучше обстоит дело при обычном, традиционном обкатывании по винтовой линии. Если же шарик мечется взад-вперед, влево-вправо, петляя, как заяц, ежесекундно меняя направление, описывая нерегу­ лярную хаотическую траекторию, то глубина вдавливания при том же усилии сразу увеличивается в несколько раз. В какой-то степени это напоминает сгребание снега широ­ кой деревянной лопатой. Попробуйте-ка все время дви­ гаться в одну сторону, и вскоре вы вынуждены будете остановиться, раскидывать же снег в разные стороны на­ много легче. Тот же прием используют и домохозяйки, меняющие направление скалки при раскатывании теста. «Эффект раскатки» позволяет обрабатывать нежесткие детали: усилие обкатки теперь можно существенно умень­ шить. Грубые шероховатые поверхности, требовавшие раньше дополнительной обработки, за один проход мож­ но теперь превратить в гладкие.

Чтобы реализовать эти заманчивые возможности, воп­ лотить их в металл, требовалось устройство, которое со­ общало бы шарику требуемое движение. И Ю. Г. Шней­ дер его сконструировал. Оно получилось очень простым: небольшой электромоторчик, эксцентрик и качающаяся оправка с подпружиненным шариком. Все это ставится на токарный суппорт. Дальше обкатку ведут, как обычно, но шарик, кроме движения подачи, совершает теперь еще 2—3 тысячи двойных возвратно-поступательных ходов в минуту вдоль оси заготовки. Складываясь с вращением и

80

продольной подачей, шарик наносит на заготовку беско­ нечную мелкую вязь, причудливую кружевную сетку из слегка искаженных синусоид. Меняя число оборотов электромоторчика, заготовки, устанавливая разные пода­ чи и амплитуды, можно в широких пределах варьировать параметры синусоид, до бесконечности разнообразить получающийся узор.

По сравнению с обычной обкаткой виброобкатка раз в пять производительней, так как она позволяет увеличить подачу в несколько раз, не снижая чистоты получающей­ ся поверхности. Десятимиллиметровый вибрирующий ша­ рик, давящий на омедненную трубу с усилием всего 10 килограммов, повышает чистоту ее поверхности на 3—4 класса. На одном из ленинградских заводов, где требова­ лись трубы с чистотой по 10-му классу, благодаря вибро­ обкатке удалось высвободить 26 рабочих-полировщи- ков. Очевидно, виброобкатку, так же, как и простую об­ катку, можно совместить с обточкой, пустив шарик сразу вслед за резцом, или заменив поддерживающий люнет специальной шариковой оправкой. В Ленинградском институте точной механики и оптики сконструированы головки, позволяющие совместить виброобкатку даже с

фрезерованием.

Виброобкатке можно подвергать любые металлы, от самых мягких до обладающих твердостью 400 единиц по Бринелю. Ею с успехом заменяют закалку. Особенно целесообразно это в тех случаях, когда детали (напри­ мер, ступицы шахтных машин) легко коробятся или, как валки горячей прокатки, работают при повышенных тем­ пературах. Благодаря раскатывающему действию вибри­ рующего шара обработанные поверхности получаются исключительно однородными, твердость их одинакова во всех точках, что немало способствует повышению износо­ стойкости.

82

Снижение рабочих усилии при виброобкатке важно не только для обработки нежестких деталей. Виброобкатка, следующая вслед за расточкой, впервые позволила эф­ фективно использовать нежные координатно-расточные станки. Дело в том, что 5—6 класс — эта предельно до­ стижимая при расточке чистота поверхности, явно не соответствует достигнутой станкостроителями высокой точности и сводит ее частично на нет. А обычную обкат­ ку из-за высоких рабочих усилий, опять-таки могущих лишить станок точности, применять нельзя.

Кстати, о точности. Это настоящая ахиллесова пята обкатки, не позволяющая ей полностью вытеснить шлифо­ вание и доводку, несмотря на все ее преимущества. Ведь обкатка считается полуразмерным процессом, слегка искажающим размеры. Однако искажения столь малы, что с ними нужно считаться лишь при диаметре детали меньше 20 миллиметров, точности по 1-му или 2-му клас­ су и чистоте выше 9-го класса. Во всех остальных случаях ими можно пренебречь.

Как известно, время работы прессов, тракторных гидро­ систем, гидравлических и пневматических тормозов ме­ жду ремонтами определяется долговечностью уплотне­ ний, резиновых, пластмассовых, кожаных колец и ман­ жет, удерживающих жидкости и газы. Из-за течей, появ­ ляющихся при износе этих мелких копеечных деталей, простаивают подчас тысячи экскаваторов, бульдозеров, прессов. Народное хозяйство несет миллионные убытки. Чтобы уплотнения служили дольше, цилиндры и штоки, по которым они скользят, тщательно шлифуют и полиру­ ют. Но после такой обработки уплотнения изнашиваются еще быстрей. Это происходит из-за шаржирования, насы­ щения обрабатываемых поверхностей острыми осколками абразивных зерен, на что до сих пор почти никто не обра­ щал внимание. Замена шлифования и доводки обкаткой повышает стойкость уплотнений в десятки (!) раз.

83

Широкое применение виброобкатка может найти в станкостроении. Направляющие станков до сих пор шаб­ рят, а это трудоемкая ручная работа, упорно не поддаю­ щаяся механизации. Час за часом скоблит слесарь на­ правляющие, срезая с них до прозрачности тонкие чешуй­ ки. Потом он пробует свою работу на краску, добиваясь, чтобы на квадратном сантиметре было 25 пятен. Это высший класс, доступный далеко не всякому. А с по­ мощью виброобкатки любой ученик добьется тех же ре­ зультатов за считанные минуты. Более того, регулируя амплитуды, обороты и число двойных ходов шарика, легко в широких пределах менять количество пятен, до­ вести его до нескольких сотен на квадратный сантиметр. Таким образом, виброобкатка позволяет полностью заме­ нить шабровку. На Уралмаше, на Ижорском заводе уже убедились, что обкатка шаром не только быстрее и де­ шевле, но и качественней. Так, например, стойкость обкатанных поверхностей против задиров вдвое выше, чем после шабрения. Задиры на них появляются в условиях сухого трения при давлении шесть килограммов на квад­ ратный сантиметр, у шабренных образцов — уже при трех килограммах. Коэффициент трения после обкатки про­ центов на двадцать ниже, и суппорты перемещаются легче.

Но самый большой выигрыш, измеряемый астрономи­ ческими числами, виброобкатка принесет, видимо, дизе­ листам, автомобилистам, морякам — всем, кто имеет дело с двигателями внутреннего сгорания. Не секрет, что у дви­ гателей еще недостаточно большой рабочий ресурс, и пе­ ред промышленностью стоит задача повысить его в 1,5— 2 раза. Ну, а ресурс определяется в основном стойкостью рабочих цилиндров на истирание. Чего только ни пробо­ вали двигателисты. Все время совершенствуя технологию, применяя шлифовку, алмазную расточку, доводку, они

84

сделали «зеркало цилиндра» действительно зеркалом, до­ вели чистоту его поверхности до предела возможного, до 14-го класса. Но в технике, как и в искусстве, видимо, существует какой-то оптимум обработанное™. Подобно Флоберу, который, как говорят критики, слишком уже от­ полировывал и упорядочивал свою прозу, из-за чего она утрачивала свежесть восприятия, двигателисты явно пере­ старались. Чем зеркальнее становились цилиндры, тем ниже падал к. п. д., тем быстрее появлялись задиры, ибо росло молекулярное сцепление между поршнем и стенкой цилиндра, чересчур гладкие поверхности были неспособ­ ны удержать смазку. Тогда автомобилисты ударились в другую крайность. Юрий Григорьевич Шнейдер показы­ вал мне кусок цилиндра, усеянный ямками с острыми кромками. Ямки были наколоты специальными шипами и по идее должны служить масляными карманами. Однако вряд ли продырявленные цилиндры будут стойкими. Ям­ ки вызовут концентрацию напряжений, станут очагами разрушения двигателя. Зато после виброобкатки на по­ верхности образуется легкая рябь, под большим увеличе­ нием похожая на всхолмленную равнину, по которой про­ шел ледник, сгладивший все острые выступы. Пологие впадины с плавными очертаниями хорошо удерживают смазку, помогают образоваться сплошной масляной плен­ ке, ускоряя тем самым приработку, и увеличивают изно­ состойкость, обеспечивая достаточно большую опорную поверхность.

В ближайшее время в этом направлении намечены большие работы, которые, как ожидают, позволят повы­ сить рабочий ресурс двигателей вдвое.

Наконец, у виброобкатки имеется еще одна область применения, пусть не такая уж важная, но достаточно интересная. Вибрирующий шарик, оказывается, не хуже гравера, украшает металлические поверхности, нанося на

85

них кружевные узоры. Эту идею уже решили использо­ вать для декоративной отделки спортивных кубков.

Как видите, скачущему шарику найдется дело на лю­ бом заводе. Он принесет народному хозяйству десятки миллионов рублей экономии, поможет повысить надеж­ ность и долговечность машин.

Аполлон в машинном масле

Музей из перфолент. Станок-водолаз. Свет ощупывает автомобиль. Венера и турбинная лопатка.

Фреза на поплавке

В этой скульптурной мастерской нет ни кусочка глины, ни крошки мрамора. Нет ни скульптора с традиционным молотком и стамеской, ни арматуры, поддерживающей статую. Вместо всего этого огромный сварной бак высо­ той с четырехэтажный дом, доверху наполненный вязким машинным маслом, небольшой ящичек с надписью «Лаокоон», «Голиаф», «Венера», «Юноша, играющий в бабки»... и металлический шкаф, набитый электронной аппаратурой.

Человек берет в руки ящичек, достает из него перфо­ ленту, вставляет ее в щель электронного шкафа и нажи­ мает кнопку. Из бака раздается глухое урчание, приглу­ шенный металлический скрежет, на поверхности жидко­ сти появляется мелкая рябь. Проходит несколько часов и бронзовая Венера, точная копия своего мраморного под­ линника (размеры выдержаны с точностью до микрона) готова. Только родилась она не в пене морской, а в баке с машинным маслом.

Скульптурная мастерская, вернее цех, о котором мы рассказали, пока еще не существует. Но над его проек­ том сейчас упорно работают американские скульпторы, изобретатели, инженеры.

86

Действительно, прекрасные статуи, найденные в древ­ ней земле Эллады, не вечны. Беспощадное время не ща­ дит даже мрамор. Чтобы навсегда сохранить человечест­ ву вдохновенные творения греческих гениев, нужно уметь изготовлять точные копии. А для больших статуй это чрезвычайно трудно: избежать обычного при работе вруч­ ную искажения пропорций почти невозможно. Впрочем, до последнего времени это было не под силу и никакому станку, будь он с копировальной следящей системой или с программным управлением. Задача просто выходила за пределы возможности металлообработки.

В самом деле. Пусть у нас имеется полная программа обработки, то есть, перфолента, на которой записаны все команды, необходимые для того, чтобы кончик резца, фрезы описал в пространстве поверхность статуи. Казалось бы, стоит теперь подставить под острие резца заготовку из любого выбранного нами материала — бронзы, дерева, мрамора — и статуя готова. Для малень­ ких статуй так оно и будет, а вот для больших... Чем больше заготовка, тем длиннее должно быть плечо, тра­ верса станка, по которой движется каретка с режущим инструментом. А при увеличении этого плеча возникает масса помех, резко снижающих точность обработки. Про­ порционально кубу его длины падает жесткость и выра­ стает деформация изгиба — прогиб. Возникают вибрации, кончик резца заметно дрожит. В таких условиях выдер­ жать припуск, толщину снимаемого металла, более или менее равномерной невозможно. Колебания припуска в свою очередь влекут за собой резкое увеличение сил ре­ зания. Эти силы еще больше отжимают резец, искажая его расчетную траекторию. И на все на это накладыва­ ются температурные деформации, опять-таки пропорцио­ нальные длине и температуре, а значит, растущие с рос­ том вибрации, неравномерности припуска, усилий реза-

87

ния. Пробовали сделать траверсу жестче, массивнее, но при этом неумолимо рос ее вес, росло трение в подшип­ никах и шарнирах, и управлять ее движением станови­ лось все труднее. Куда ни кинь — везде клин. Низкая жесткость — плохо, большая — тоже никуда не годится. Самые подходящие условия для вмешательства инженер­ ного чуда — остроумного изобретения, которое бы разом разрубило гордиев узел окончательно зашедших в тупик технических противоречий.

До сих пор мы говорили только о статуях. Но при всей важности сохранения великих скульптурных памятников прошлого дело, конечно, не в них одних. Просто статуя воплощает в себе полный комплекс проблем, связанных с технологическими трудностями обработки больших и сложных поверхностей — самолетных крыльев, судовых обшивок, лопастей гидротурбин и вертолетов, внутренних полостей автомобильных и ракетных штампов. От них ведь тоже требуется микронная точность при размерах, доходящих до 5—10 метров.

Трудную технологическую проблему, как и следовало ожидать, решил изобретатель и решил ее чрезвычайно просто и оригинально. В патенте 3141378, кстати 115-м, выданном на его имя, американский инженер Джекоб Рабиноу предложил станок вместе с заготовкой опустить в большой бак, наполненный машинным маслом, этилен­ гликолем или какой-либо другой жидкостью. Как ни странно, такой необычный прием позволяет справиться со всеми технологическими трудностями.

Действительно, меняя толщину стенок и объем внут­ ренних полостей консоли станка или прицепляя к пей по­ лый сварной поплавок, можно добиться, чтобы, плавая в масле, она обладала нулевой плавучестью, как бы лиша­ лась собственного веса. Сразу же упрощается управле­ ние ею, почти исчезают прогибы, одновременно масло

88

облегчает резание, демпфирует возникающие вибрации и хорошо охлаждает инструмент и деталь. Все это повыша­ ет точность траектории резца, дает возможность сни­ мать крохотные припуски, а значит, еще раз уменьшает усилия резания и соответствующие деформации станка. В результате достигается микронная точность обработки, чего никакими другими способами добиться невозможно.

С помощью станка-водолаза, если есть соответствую­ щая программа на перфоленте, можно быстро и точно изготовить и автомобильный штамп и статую. В качестве заготовки для статуй берут бронзовую оболочку пятисан­ тиметровой толщины, заполненную пластмассой. Когда набор перфолент станет полным, включив в себя все бо­ лее или менее известные скульптуры, произведения ис­ кусства станут вечными: по желанию их можно будет воспроизвести в любую минуту.

Надо сказать, что изготовление программ-перфолент вручную — операция очень сложная и трудоемкая, ведь ни на статуи, ни на вылепленные скульпторами из пла­ стилина модели автомобильных кузовов даже и чертежей нет. К счастью, можно обойтись и без них. По одному из недавно разработанных методов статую или автомобиль­ ный кузов кладут на горизонтальный стол, снабженный микрометрическими винтами и освещаемый сверху мгно­ венными световыми вспышками. Модель непрерывно перемещается, а электронная схема измеряет время про­ хождения луча и преобразует его в расстояние. Получен­ ные данные поступают в вычислительную машину, кото­ рая и составляет по ним программу обработки. Благода­ ря использованию в качестве источников света лазеров, позволяющих фокусировать свет в тончайшую нить, в острие иглы, достигается высокая точность — порядка двух микрон. Однако это не значит, что программа за­ фиксирует мельчайшие бугорки, трещинки и другие

89