Послушный металл

DjVu

Полный текст книги

      ОБРАБОТКА БЕЗ ОТХОДОВ
      Долго, слишком долго человеческое общество беззаботно относилось к тому, что теперь принято называть средой обитания. Наивное представление о беспредельных возможностях природы, неисчерпаемости ее кладовых, о том, что она способна залечить любые раны, привело к истощению запасов многих видов сырья.
      Именно так обстоит дело в европейской части нашей страны. Потребности в нефти и газе уже давно удовлетворяются в основном за счет месторождений Западной Сибири, Крайнего Севера. Кузнецкий бассейн стал главным поставщиком угля в районы Центра и Поволжья.
      А геологи идут все дальше и дальше на восток и в северные районы, все глубже вгрызаются в землю буровые устновки, все дороже становятся добыча, переработка и транспортировка сырья, а следовательно, и готовая продукция.
      Все это в полной мере относится и к производству главного материала нашего времени — металлов. Металлургия ежегодно потребляет сотни миллионов тонн руд, угля, нефти, газа, воды. Только в песнях осталась гора Магнитная, на ее месте — глубокий котлован. Сейчас руду на Магнитогорский комбинат возят за тысячи километров. На ряде предприятий уже начата переработка отвалов — вчерашних отходов производства.
      Так что же нас ждет? «Энергетический голод», «стальной кризис»? К сожалению, пессимизм подобных прогнозов небезоснователен и единственный способ не дать им сбыться — это коренным образом изменить отношение к все еще огромным богатствам Земли, прекратить «борьбу с природой», взять ее под свою заботливую опеку.
      Направления технического и экономического развития должны определяться не только сегодняшними потребностями, но и стоять в прямой зависимости от тех реальных возможностей, которые предоставляет нам наша планета. Другими словами, необходимо в большей мере исходить из того, что только однажды дано нам природой. И хотя отношения между ней и человеческим обществом пока еще очень далеки от гармонических, надо стремиться к ним, как к высокому идеалу. Ведь в этом наша надежда не только на светлое будущее, не) и просто на выживание человеческого рода.
      В главном законе нашей страны записано: «В интересах настоящего и будущих поколений в СССР приник маются необходимые меры для охраны и научно обоснованного, рационального использования земли и ее недр; водных ресурсов, растительного и животного мира, для сохранения в чистоте воздуха и воды, обеспечения воспроизводства природных богатств и улучшения окружающей человека среды».
      Эти положения лежат в основе программы экономий материальных и энергетических ресурсов, генеральное направление которой — создание новых высокоэффек-тивных технологий, в том числе металлосберегающих.
      Наша страна на первом месте в мире по выплавке стали. Однако сегодня недостаточно только наращивать объемы производства металла. Главная задача состоит в том, чтобы научить рационально использовать его И ведущую роль в этом играет создание металлосберегающих технологических процессов. Такие технологий экономят не только металл, но и труд людей, энергию, они способствуют повышению качества готовых изделий; сведению к минимуму вредных воздействий производства на окружающую среду.
      Хлебом промышленности называют металл, он нужен всем. Следовательно, бережное отношение к нему — задача всеобщая. Однако основные резервы экономии металла сосредоточены в металлургическом и машиной строительном производстве. Главное — это повышение качества металла. Чем прочнее металл, тем меньше его требуется для получения той или иной детали, конструкции, машины, тем выше свойства готового изделия.
      Громадные возможности экономии металла заключаются в снижении его отходов в стружку при обработке на машиностроительных предприятиях. В среднем более четверти металла, поставляемого машиностроителямидет в отходы, причем далеко не все они поступают в переплавку, существенная часть их теряется безвозвратно
      Но и тот металл, который «уцелел» и стал нести службу в виде изделия, не всегда используется рационально. Есть такое важное понятие — металлоемкость продукции, показывающее, какое количество металла пошло на ее изготовление. Так вот этот показатель в машиностроении пока неоправданно высок, немало производят машин и конструкций с эаиышемиоП массой. Основная причина этой тяжеловесности заключается Э устаревшей технологии машиностроения.
      При создании технической новинки конструктору приходится рассчитывать десятки и сотни самых разнообразных деталей — от миниатюрных и сверхточных до многотонных и тоже весьма точных. Однако начертить деталь и заказать для нее металл — это значит решить только первую задачу на пути реализации технической идеи. Задача вторая — нередко наиболее сложная и увлекательная — сделать деталь. Ведь она по замыслу конструктора должна иметь сложнейшую форму, точные размеры и высокое качество поверхности, а выбранный металл очень прочен и неподатлив.
      Какие Же способы обработки металлов имеются в арсенале машиностроителей? Их много, но все они могут быть объединены в три группы.
      К первой группе способов обработки относятся операции резания (обточка, сверление, фрезерование, строжка и так далее). Перефразируя известное высказывание некого скульптора, можно сказать, что для получения детали этими методами надо взять заготовку И срезать с нее все лишнее. При такой обработке механические и физические свойства металла, как правило, Не изменяются. К достоинствам данных способов относятся высокая точность получаемых деталей и чистота поверхности, Однако они трудоемки, обладают невысокой производительностью, связаны с большими затратами энергии и значительными потерями металла в стружку.
      Вторую группу способов обработки можно в определенном смысле противопоставить первой, так как они связаны не с уменьшением массы заготовки, а, напротив. с ее увеличением. Наращивание массы исходйОЙ заготовки с приданием ей нужных формы и размеров Производится с помощью наплавки, напыления, злектроли-тического осаждения, напайки. К этой, группа можно отнести и способы получения деталей, И конструкций из отдельных элементов с применением сварки, оклеммиа-рия, склеивания, пайки.
      И еще один очень распространенный метод получения деталей — литье. Сначала изготавливают ШЙДвЛЬ детали из какого-либо легко обрабатываемого мбшкнлп, например дерева, затем получают литейнуффврму и заливают в нее жидкий металл. Отливаемые детали постепенно формируются из расплавленного металла — происходит наращивание слоя затвердевшего металла из жидкого расплава. Многие способы этой группы, напри-мер литье, обладают высокой производительностью, весьма экономичны благодаря небольшим потерям ме-талла. Однако качество поверхности, точность размеров да и свойства самого литого или наплавленного металла далеко не всегда удовлетворяют предъявляемым требованиям.
      И, наконец, третий способ — самый древний и самый современный — обработка металла давлением. Готовые детали как бы вылепливают из исходной заготовки, не изменяя ее массы. Отходов при этом нет, чистота поверхности и точность размеров — на высоком уровне, производительность тоже. И, что очень важно, металл, подвергнутый обработке давлением, приобретает более высокие физико-механические свойства. Ведь эти свойства определяются не только маркой исходного металла, то есть содержанием в нем различных элементов, примесей и т. п. Во многом они зависят от того, каким образом металлический слиток был превращен в готовое изделие.
      Большинство задач, которые ставят перед машиностроителями наука и техника, могут быть решены только с помощью создания принципиально новых технологий. К их числу относятся, например, процессы импульсной штамповки, использующие энергию взрыва, Электромагнитных полей, гидроудара. Необычайно расширяются возможности традиционных процессов обработки давлением с открытием явления сверхпластичности металлов. Порошковая технология, в которую входит операция обработки давлением — прессование, позволяет получать высокопрочные детали из самых труднодеформируемых материалов, отходы при этом минимальны.
      Немалые возможности снижения расхода металла заключаются в замене операций рмаиии и и безотходный процесс получения готовых деталей прокаткой. На прокатных станах можно делать «самые разнообразные детали: валы, оси, зубчатые колеса» сверла, птулки, гильзы р так далее, причем все операции при их производстве хорошо поддаются автоматизации, едждый деталепрокатный стан заменяет десятки металлорежущих станков.
      Сегодня металлообрабатывающие отрасли народного хозяйства базируются на последних достижениях науки и техники. Новые знания о свойствах металлов и других материалов, прогрессивные технологические и конструкг тивные решения, достижения в области вычислительной техники, роботизации производства — все это находит применение при совершенствовании существующих и создании новых способов обработки металлов давлением. Сложные и, увлекательные задачи предстоит решать тем, кто выбрал для себя трудную и почетную профессию металловбработчика.
     
      ОТ БРОНЗОВОЙ ЭПОХИ ДО ВЕКА ПАРА
      Начиная наш рассказ о металлообработке, обратимся прежде всего к истории ее возникновения и развития. И сделаем это не из стремления расставить все в хронологическом порядке. История любой области человеческой деятельности, в том числе и история техники, помогает нам глубже понять ее значение на современном этапе развития цивилизации. Для пытливого ума накопленные человечеством знания — это источник научных идей и новых технических решений. Ведь прошлое живет В настоящем и прокладывает дорогу будущему.
      Под покровительством Гефеста
      Представьте себе первое знакомство нашего далекого пращура с металлом. К тому времени важнейшим материалом в руках человека былкамень, из него делали инструменты (рубила, скребки, топоры, молотки, даже сверла и пилы), оружие (наконечники КОПИЙ и стрел), различные предметы быта. Камень ПОЗВОЛИЛ добывать огонь, помогал обрабатывать землю. Конечнодалеко не всякий камень годился в дело. Вот кремень обладай многими необходимыми свойствами — высокой твердо-стью, способностью к обработке (он хорошо скалывалсяобразуя острые режущие кромки).
      И вот однажды в поисках подходящего камня, а иногда для этого приходилось копать глубокие ямы, человек обнаружил самородок меди. Почему именно меди? Дела в том, что в самородном состоянии в земле встречаются, только три металла: золото, серебро и медь. Первые два металла найти значительно труднее, чем третий, весьма распространенный в земной коре. Заметим, к слову, чта сейчас по объему мирового производства металлов медь занимает третье место, уступая только железу и алюминию. Итак, обнаружив самородок меди, наш предок принял его за новый вид камня и решил испытать, на что ой годится. С помощью своего привычного инструмента для первичной обработка камня (колотуши) он попытался отколоть от своей находки кусочек. Но не тут-то былоновый камень не поддавался обработке. Тогда на помощь был призван тяжелый булыжник, эффект оказался совершенно неожиданным — на новом камне появились вмятины, раскалываться же он и не собирался.
      А возможно, что знакомство с металлом произошла при других обстоятельствах. Случайно разведя костер на месте выхода легкоплавкой медной руды, человек обнаружил в груде остывшего пепла загадочный предмет — слиток меди и подверг его приведенному выше испытав нию. Не исключено, что оба эти события (знакомство с са-мородным и выплавленным металлом) относятся к одному историческому периоду времени.
      Так человек познал металл и его самое удивительное свойство — способность под воздействием внешней сильй изменять форму без разрушения. Это свойство стали называть ковкостью, пластичностью.
      Хотя медь была не такой твердой, как кремень, зата она сравнительно легко обрабатывалась. Да и срой службы медных изделий был больше, чем каменныхведь затупившееся орудие из меди можно было опять и опять заточить. Было также замечено, что под ударам ми каменного молота медь становилась более твердой и более пригодной для изготовления различных орудийЭто было второе ценное свойство металла, с которым познакомился человек: способность увеличивать свой прочностные свойства под воздействием обрабатываю-
      щего инструмента. Назввнр это яилсннс было наклепом, упрочнением.
      Древний мастер — кузнец, используя простой инструмент — каменный молот и наковальню, которой служил массивный и прочный камень с плоской поверхностью, изготавливал из найденных самородков меди свои нехитрые орудия, с помощью которых он вместе со своими соплеменниками добывал пищу, выделывал шкуры животных, строил жилище. Это были те самые орудия, которые недавно человек делал из камня, однако Изделия из меди имели более совершенную форму, были более удобны в обращении и значительно увеличивали Производительность труда.
      Так камень Стал постепенно вытесняться металлом, каменный век уступал место веку медному. Это было около 10.тысяч лет тому назад. Можно считать, что тогда-то и зародился самый первый способ обработки металла — ковка. Таким образом, весьма вероятно, что, еще не научившись выплавлять металл из руд, человек уже умел его обрабатывать. Только через несколько тысячелетий возникла металлургия, в Анатолии и Дву-речьи — районах древнейших цивилизаций — начали выплавлять металл. Первым полученным из руды металлом была медь. Научившись сплавлять медь с оловом, человек получил более прочный металл — бронзу, которая со Временем стала основным материалом для изготовления большинства орудий труда. До наших дней дошло немало искусно выполненных древними мастерами изделий Из бронзы и меди.
      Надо отметить, что бронза и в «своем» бронзовом веке была дорогим материалом. Выплавка меди велась трудоемким и малопроизводительным способом в примитивных печах — горнах, не обеспечивавших высокой температуры, необходимой для полного проплавления руды. Нужное для получения бронзы олово было довольно -редким и дорогим металлом. Поэтому бронзовые орудия были доступны далеко не всем, бронзе оказалось не под силу полностью вытеснить камень. Конечно, это не могло не тормозить развитие цивилизации. Необходим был цовый материал — прочный, хорошо поддающийся обработке и достаточно дешевый.
      Таким материалом стало железо. Однако прошло немало времени, пока железо нашло широкое применение, стало главным материалом и дало название следующему периоду в развитии человеческого общества — железному веку. Железо почти не встречается в самородном состоянии, его можно извлечь только из железной руды, нагрев ее до высокой температуры, значительно превью щающей ту, которая нужна для выплавки меди. Трудно сказать, с чего началась металлургия железа, известно только то, что первое полученное человеком железо це-нилось дороже золота и могло идти только на украшения. Железо привлекало своими замечательными свойствами — прочностью и очень хорошей обрабатываемостью. Это заставляло искать более производительные и дешевые способы его получения.
      В странах Древнего Востока, а затем в античных государствах железо получали сыродутным методом. Этот метод, применявшийся вплоть до XVI века, заключался в следующем. Размельченную железную руду, которая представляет собой химическое соединение железа с кислородом, смешивали в нагревательном устройстве (горне) с древесным углем. Тепло, даваемое горящим! углем, вызывало реакцию восстановления железа — углерод угля «отнимал» у руды кислород, образуя углекислый газ. В горне оставалось освободившееся от кислорода железо, которое имело вид губчатой массы — крицьс внедрившимися в нее частицами шлака.
      Чтобы получить из крицы хорошее железо, ее нагревали и тщательно проковывали. Под ударами тяжелых кувалд крица уплотнялась, из нее выдавливались все чужеродные частицы — шлак, кусочки обгоревшей глины от стенок горна. Крица уменьшалась в размерах, ее снова и снова нагревали и проковывали. Наконец, когда металл приобретал гладкую поверхность, ему придавали форму бруска массой от двух до десяти килограммов. Такова была суточная производительность сыродутных горнов. Выделкой железа из крицы занимались кузне-цы-кричники, которые производили заготовку для других кузнецов, делавших готовые изделия. Это была первая стадия специализации в обработке металла давлением.
      С приходом железного века каменные орудия были окончательно вытеснены. Металлы прочно заняли ведущее положение среди всех известных человеку материалов. Долгое время единственным способом обработки металлов в твердом состоянии была ковка.
      Описание кузнечного дела можно найти у Гомера, а изображения древней кузни — на греческих и римских вазах, саркофагах. Кузнечный инструмент и приемы ковки у древних народов были примерно те же, что и у сот временных мастеров ручной ковки. Из умелых рук кузнеца получали свои инструменты земледельцы, плотники, каменщики, мастера всех ремесел. Оружие и боевые доспехи также рождались в кузне. Сам процесс получения нужных изделий из бесформенных кусков огнедышащего металла был окружен ореолом таинственности, граничил с чудом. Поэтому и кузнецы казались чародеями, которым подвластны огорь и металл.
      Пословица гласит — не боги горшки обжигают. Однако было ремесло, до которого снизошли и они. Это единственное «божественное» ремесло — кузнечное дело. Гефест — сын верховных богов древних греков Зевса и Геры в совершенстве овладел им и с помощью своих могучих «подручных» (циклопов) — ковал молнии для громовержца Зевса, оружие для богов и героев, изящные украшения для богинь. Он же изготовил колесницу для бога солнца Гелцоса. Боги-кузнецы были и у других народов: у римлян — Вулкан, у славян — Сварог.
      Что же представляла собой кузня тех далеких лет? Центральную ее часть занимала наковальня — массивный железный брус с плоской поверхностью и скругленным выступом. Наковальню прикрепляли к тяжелому деревянному чурбану. На боковой поверхности чурбана на железных скобах и ремнях размещался инструмент: молотки, клещи, топоры для металла и др. В углу нагревательное устройство — горн. Он представлял собой сложенный иа камней очаг, в который закладывали древесный уголь. Для повышения температуры нагрева применяли принудительную подачу воздуха в горн — дутье. Первоначально дутье осуществляли с помощью трубок (полых стеблей растений), через которые подручные кузнеца вдували воздух в горн. Это был изнурительный, поистине рабский труд. Он был значительно облегчен с изобретением меха — сшитого из шкур мешка, в от-верствие которого вставляли трубку. При надавливании на мех воздух из него поступал в горн. Такой «воздушный насос» использовали также в печах для получения железа из руды.
      Мастер-кузнец укладывал заготовку на горящий уголь, по мере нагревания цвет заготовки постепенно изменялся от темно-бурого до малинового и оранжевого. Мастер поворачивал заготовку, чтобы нагрев был равномерным. Убедившись по цвету заготовки, что она хорошо прогрелась, кузнец клещами выхватывал заготовку из горна и укладывал на наковальню. Мелкие изделия кузнец выделывал один с помощью нескольких молотков разной формы, а для получения крупных ему требовались помощники — молотобойцы. Тяжелыми молотами они наносили удары по указываемому мастером месту заготовки. Ковка крупных изделий, особенно если они имели сложную форму, требовала много времени, поэтому остывающий и теряющий пластичность металл повторно нагревали в горне.
      Для соединения отдельных частей металлических изделий в одно целое применяли пайку оловянным и медным припоями, а также кузнечную сварку. Соединяемые сваркой детали нагревали в горне до температуры, несколько превышающей температуру ковки (до сварочного жара), затем накладывали их друг на друга и проковывали сильными ударами молота. Прочность такого соединения не уступала прочности основного металла.
      Работа у наковальни требовала большого мастерства, точной слаженности всей действий кузнеца и его подручных. Хорошо известная пословица — куй железо пока горячо — сжато и точно передает накал трудового напряжения, царившего в кузне.
     
      В Древней Руси
      На территории нашей Родины металлообработка широко применялась у скифских племен и древних славян еще в VII — IV веках до нашей эры.
      Раскопки археологов в Киеве, Новгороде, Москве, Смоленске, Владимире, Переяславле и других древнерусских городах показали, что основное их население составляли ремесленники: кузнецы, плотники, гончары, кожевники, всего можно насчитать более ста специальностей; Приведем небольшую статистическую справку. К концу XVI века Новгород населяли около 5,5 тысячи людей разных профессий, 600 из них были связаны с обработкой металла; 112 кузнецов, 38 ножовщиков, 35 котельников, 21 гвоздочник, 18 оружейников (сабельники, секирники, бронники), 17 замочников, 12 ведерников, по нескольку человек лемешников, скобочников, игольников, булавочников и так далее. По всей Руси жили десятки тысяч мастеров железного дела.
      Кузнечное ремесло было одним из основных, его знали мастера многих профессий: например, седельник, кроме кожевенного и скорняжного дела, должен был уметь ковать стремена и чеканить узорчатые накладки на седельные луки; все оружейные мастера (копейщики, бронники, щитники и другие) были первоклассными кузнецами.
      Ремесленники селились группами, образуя целые улицы и районы: Гончарный конец (в Новгороде), Щитная улица, Кожемяки (в Киеве). До XII века ремесленники вели работу в основном на заказ, затем стали работать на рынок, сбывая свои изделия сами или через торговцев. Можно предполагать, что на Руси ремесленники объединялись в общины, подобные западноевропейским цехам, это, несомненно, усиливало их влияние в городских посадах.
      Примерно до XV века основной продукцией кузен были косы, серпы, топоры, лемехи и другие предметы хозяйственного инвентаря, холодное оружие, доспехи. О высоком мастерстве русских кузнецов говорят дошедшие до нас железные мечи с наваренными кузнечной сваркой стальными лезвиями, искусно выполненные кольчуги, цельнокованые шлемы и многие другие изделия. Замечательным образцом кузнечного искусства является шлем русского князя Ярослава Всеволодовича, отца Александра Невского. Он выкован из одного куска железа и украшен серебряными пластинами с чеканным орнаментом и изображениями святых. Как считают ученые, шлем был сделан владимирским кузнецом в середине XII века. В настоящее время он украшает коллекцию Оружейной палаты Московского Кремля.
      В замечательном муз ее-заповеднике «Коломенское» есть небольшая, но очень интересная коллекция механизмов башенных часов. Когда-то они отсчитывали время на колокольнях монастырей и крепостных башнях русских городов. Эти часы выдержали испытание временем — возраст некоторых из них около пяти веков. Секрет их долговечности в мастерстве русских кузнецов-часовщиков. Все детали часовых механизмов изготовлены с помощью ковки.
      Славилась своими мастерами и Москва. До сих пор хранит она имена бывших ремесленных слобод. В конце XV века Иваном III была основана кузнецкая слобода, работали кузнецы на построенном в то время Пушечном дворе (район современных улиц Кузнецкий мост и Пушечная). В урочище Палаши в XVII веке проживали мастера, ковавшие тяжелые прямые сабли — палаши. В районе современной Котельнической набережной жили и работали котельники, делавшие котлы. Там, где сейчас находится ТаТанская площадь, была слобода таганщи-ков, изготовлявших треножники для походных кухонь русского войска.
      С развитием кузнечного производства происходит и его дальнейшая специализация, в России она характеризовалась и географическим признаком: если тульские мастера изготавливали в основном огнестрельное оружие, то астраханские холодное оружие, муромские ковали гвозди и другой скобяной товар, холмогорские мастерили хитрые замки, павловские делали ножи, плотницкий инструмент.
      Русские кузнецы внесли свой вклад и в создание шедевров архитектуры. Еще в XII веке древнерусские зодчие стали использовать выкованные из кричного железа брусья для укрепления каменной кладки дворцов и церквей. Одной из первых строительных конструкций из железа являются затяжки (стержни с проушинами для крепящих штырей) Успенского собора во Владимире (1158 год). Несколько позднее кованые железные балки начали применять и для перекрытий. Каменные потолки коридора между притворами Покровского собора (храма Василия Блаженного, 1569 год) поддерживает весьма совершенная в инженерном отношении металлическая конструкция из железных стержней. В XVII — XVIII веках железные брусья квадратного, прямоугольного и круглого сечений широко использовали для стропил и пространственных купольных конструкций. Стержни соединяли между собой кузнечной сваркой с помощью замков и креп. Примером таких конструкций могут служить каркас колокольни Ивана Великого (1603 год), перекрытия Большого Кремлевского дворца (1640 год), Трапезная Троицко-Сергиевской лавры (1697 год).
      В XVI — XVII веках кузнецами были созданы удивительнные по красоте и сложности изделия: оконные решетки, ворота, двери, люстры, механизмы башенных часов. Большую художественную ценность представляют работы XVIII века: кованые ограды, перила, решетки, ворота для зданий и парков. Тульскими мастерами выкованы железные решетки знаменитой ограды Летнего сада в Ленинграде, набережные Невы украшают старинные кованые решетки, длина которых превышает 53 километра. Железные кружева оград и ворот можно встретить и на старых улицах Москвы.
      В начале XVIII века в России создаются первые металлообрабатывающие предприятия: Сестрорецский и Тульский оружейные заводы, Адмиралтейские ижор-ские заводы под Петербургом, они уже не были непосредственно связаны с металлургическим производством и ознаменовали новый этап в развитии металлообработки.
     
      На заре машинного производства
      Вся история развития цивилизации связана с непрерывным ростом потребности в металле. Мы уже говорили, что примерно до XVI века железо получали сыродутным способом в виде крицы. С ростом производительности сыродутных горнов увеличивалась и масса крицы, обработка ее все более затруднялась. Между тем возникла необходимость в крупных железных изделиях: якорях, пушках, Ручная ковка не могла обеспечить получение таких изделий, это привело к созданию первых механических молотов, приводимых в действие водяным колесом. В России их называли самоковами.
      Рычажные вододействующие молоты в зависимости от точки приложения силы подразделялись на средне-бойные, хвостовые и лобовые. Вот, что представлял собой среднебойный молот начала XVI века. Основание (станину) молота делали из прочно скрепленных между собой деревянных брусьев. В станине на оси устанавли-вали рычаг, на конце которого закрепляли сам молот. Рычаг этот, назывался молотовищем. Перед станиной на большом деревянном чурбане, окованном железными обручами, устанавливали наковальню — массивный железный брус с плоской прямоугольной поверхностью (лицом наковальни). Ось водяного колеса располагали параллельно молотовищу. На валу колеса были укреплены кулаки, которые при вращении колеса захватывали молотовище в средней части (между осью и молотом) и подбрасывали его вверх. Падая под действием силы тяжести на накойальню, молот совершал работу. С помощью рычага кузнец мог останавливать и регулировать ход водяного колеса. Масса такого среднебойного молота составляла примерно 30 килограммов, длина рычага один метр. Первые механические молоты работали при сыродутных горнах и дозволяли обрабатывать небольшие крицы, а также отковывать заготовку (в основном прутья) для дальнейшей обработки.
      Со временем на среднебойных молотах было применено интересное приспособление — отбой, который представлял собой гибкую деревянную доску, укрепленную над молотовищем. При движении вверх торец молота ударялся об отбой и отскакивал от него. В результате этого сокращалось время хода молота вниз, увеличилось число ходов молота в минуту, что позволяло с одного нагрева металла производить большую работу. Масса таких усовершенствованных молотов составляла до 70 килограммов и на них можно было обрабатывать более крупные крицы и поковки,
      Хвостовые молоты были более производительны — они делали более 200 ударов в минуту и позволяли с меньшими затратами времени отковывать заготовки простой формы. У хвостовых молотов захват молотовища осуществлялся за конец (хвост, который оттягивался вниз кулаками на валу водяного колеса. Эти молоты также снабжали отбоями.
      В лобовых молотах сила прикладывалась к молотовищу со стороны наковальни: кулаки на валу колеса подбрасывали молотовище вверх, падая вниз молот производил работу.
      Там, где использование водяного привода было затруднено из-за отсутствия рек, применяли падающие или пестовые молоты. С помощью каната молот подвешивали через блок к верхней перекладине станины. Конец каната прикрепляли к вороту, вращая который подручные кузнеца поднимали молот, а затем по команде мастера давали ему возможность свободно падать на поковку. Применялись и молоты без ворота — несколько человек тянули за конец перекинутого через блок каната и таким образом поднимали молот. Масса падающих частей у таких молотов достигала 300 килограммов и более.
      Изобретение паровой машины привело к созданию мощного металлообрабатывающего оборудования. Во второй половине Х1д века появились десятки конструкций паровых молотов различной мощности с разнообразными системами управления. В 1848 году первые паровые молоты стали работать в России, они были куплены в Англии и установлены на Екатеринбургской механической фабрике и Боткинском заводе. Через несколько лет на Урале стали изготавливать свои паровые молоты. Благодаря этим мощным машинам был сделан большой шаг в развитии машиностроения. Появилась возможность замены крупных и тяжелых литых деталей на более легкие и прочные кованые. Ковка на паровых молотах в сочетании с кузнечной сваркой позволяли изготавливать сложные детали для паровозов, пароходов, артиллерийских орудий.
      Помните, как в сказе Н. С. Лескова атаман Платов оконфузил англичан, решивших удивить русских гостей искусно сделанным пистолетом: «А Платов на эти слова в ту же минуту опустил правую руку в свои большие шаровары и тащит оттуда ружейную отвертку. Англичане говорят: «это не отворяется», а он внимания не обращая, ну замок ковырять. Повернул раз, повернул два — замок и вынулся. Платов показывает государю собачку, а там на самом сугибе сделана русская надпись: «Иван Москвин во граде Туле».
      Да, тульским мастерам принадлежат особые заслуги в развитии металлообработки. С давних времен Тула и ее обширные окрестности славились железными рудами. В XVI веке тульские крестьяне получали железо домашним способом в ручных горнах-домницах, а затем продавали его в кузнецкую слободу, устроенную по указу царя Федора Иоановича. Кузнецы считались людьми вольными, ибо были они освобождены от всяческих податей и земских повинностей. Из поколения в поколение передавалось кузнечное мастерство, складывалось оружейное сословие — тульские самопальщики. Подчинены они были Московской оружейной палате и в конце XVII века поставляли в год до двух тысяч пищалей. Каждый кузнец знал свое дело: одни делали замки, другие стволы, третьи мастерили ложа и собирали оружие, четвертые занимались его отделкой.
      По приказу Петра I в 1712 году в Туле был создан оружейный завод, в начале XIX века на этом, уже несколько раз перестроенном заводе работало более 3000 мастеровых и свыше 3500 вспомогательных рабочих. Тульский оружейный завод отличался высокой технической культурой. Здесь было создано немало передовых для своего времени машин и приспособлений, облегчавших труд рабочих и способствовавших росту производства. Тульские мастера первыми освоили операцию штамповки. Это был новый высокопроизводительный способ получения деталей с высокой точностью и хорошим качеством поверхности. Обрабатываемую заготовку укладывали не на плоскую поверхность наковальниа в штамп — специальный инструмент, в котором вырезалась полость, имеющая форму и размеры получаемого изделия. Если при ковке металл под ударами молота свободно течет в стороны, то при штамповке течение металла ограничено стенками штампа. Процесс штамповки можно сравнить с литейным способом получения деталей: металл заполняет форму (полость штампа). При литье это происходит благодаря жидхотекучести расплавленного металла, а при штамповке благодаря пластичности металла в твердом состоянии. Точные размеры и хорошая поверхность штампованных деталей позволяли обходиться без их последующей ~ обработки (отделки).
      С начала 20-х годов XIX века все основные детали тульских ружей и пистолетов изготавливали штамповкой в горячем состоянии, что обеспечивало полную взаимозаменяемость этих деталей, это был прогрессивный метод серийного производства. Горячую штамповку осуществляли на падающих молотах, которые были оснащены наборами штампов для изготовления различных деталей. Тульские мастера хорошо владели и способом чеканки, с помощью которой, например, наносилось клеймо на готовую деталь. Эту операцию производили на винтовых прессах, которые служили также для обрезки заусенцев со штампованных деталей. Тульские технологические приемы были быстро освоены другими металлообрабатывающими заводами в России и за рубежом.
      С ростом потребности в таких металлических изделиях, как листы большой площади, длинные и толстые прутья квадратного, круглого и более сложного профиля, все труднее и труднее становилось металлообработчикам. Даже мощный паровой молот не позволял получать металлическую полосу с равномерной толщиной и одинаковыми по площади свойствами. Металл под бойками молота передвигали вручную и поэтому каждый участок полосы деформировался в разных условиях — в одном месте приходилось больше ударов, в другом меньше. В результате металл получался неоднородным.
      Нужен был новый способ обработки, обеспечивающий равномерное распределение деформирующего усилия по площади обрабатываемой заготовки и обладающий более высокой производительностью, чем ковка. Этим способом стала прокатка — заготовку пропускают между двумя вращающимися валками, которые обжимают ее, уменьшая высоту и увеличивая при этом длину и ширину. Принцип прокатки применяется и в «домашней технологии» при раскатке лепешек из теста, одним валком здесь служит скалка, другой заменяет разделочная доска.
      XIX век был веком необычайно быстрого развития техники, в частности техники металлообработки. Появи-лось множество конструкций молотов, прессов, прокатных и волочильных станов. Были созданы гидравлические и парогидравлические прессы, пневматические прессы-молоты, горизонтально-ковочные машины для изготовления болтов и заклепок, гибочные машины. Совершенствовалось и вспомогательное оборудование металлообрабатывающих цехов: на смену горнам пришли нагревательные печи. Интенсивно развилась и обработка резанием. Совершенствование металлорежущего оборудования привело к тому, что в конце XIX века механические и механосборочные цехи становятся основными на машиностроительных заводах, отодвигая на второй план кузнечное и литейное производство. Кузницы постепенно превращались в заготовительные цехи, производящие заготовку для металлорежущих станков.
      Однако уже в начале XX века с дальнейшим увеличением выпуска металлоизделий, с переходом к крупносерийному и массовому производству значение процессов обработки давлением вновь возрастает. В этот период расширяется переходс ковки на штамповку, совершенствуются кузнечно-прессовое оборудование и технологические процессы. В результаты снижается трудоемкость последующей механической обработки резанием и ее объем, уменьшается расход металла. Внедряются новые способы точной штамповки, которые в ряде случаев позволили полностью исключить дальнейшую обработку на металлорежущих станках. Кузнечные цехи вновь становятся основными обрабатывающими цехами, из которых выходят готовые к сборке детали. В некоторых технологических процессах с помощью операций обработки давлением производится отделка полученных резанием деталей: калибровка, упрочнение и др. Непрерывно возрастает приоритет и других операций обработки давлением: прокатки, волочения, прессования. Эта тенденция дошла до наших дней и продолжает развиваться)
     
      СОЮЗ МЕТАЛЛУРГОВ И МАШИНОСТРОИТЕЛЕЙ
      В арсенале машиностроителей много разнообразных, материалов с широкой гаммой свойств. Непрерывно возрастает применение полимеров, керамики. И все же главным конструкционным материалом остаются металлы; и их сплавы. Благодаря своим необыкновенно разнообразным свойствам, неисчерпаемым возможностям они незаменимы во многих отраслях техники, А если в каком-либо металле или сплаве не удается получить требуемый комплекс свойств, то и тут есть выход. Свойства эти набирают от разных металлов, создавая из них композицию. Например, в виде слоистого «пирога» с упрочняющей начинкой.
     
      В некотором царстве...
      В овеянные мрачной таинственностью времена средневековья ученые-алхимики творили свои «чудеса» всего с несколькими металлами, которым приписывали магические свойства, давали символические обозначения: же; лезо — Марс, медь — Венера, золото — Солнце, ртуть — Меркурий.
      Мы гораздо богаче, ибо владеем сказочным царством, в котором живут и трудятся около 80 металлов. Они составляют три четверти всей массы земной коры, занимают большую часть Периодической системы элементов. Здесь, как и во всяком царстве-государстве, есть свои сословия: к благородным принадлежат платина, серебро, золото, палладий, иридий, осмий, родий, рутений; к черным — железо и его братья-сплавы. «Цветное население» очень разнолико и составляет численное боль шинство: медь и алюминий, хром и никель, титан и маг; ний, вольфрам и молибден...
      Впрочем, все население этой славной страны живет в дружбе, «без чинов». Помогая друг другу, они объединяются во множество замечательных сплавов: корронкшностойких, жаропрочных, магнитных, электротехнических. Самое почетное место в семье сплавов занимают стали. Основные составляющие стали — железо и углерод. Содержание углерода невелико, но зато оно — характер стали. Чем больше углерода, тем тверже и неподатливей металл. Если углерода больше двух процентов, то такой сплав называют чугуном. Он отличается высокой хрупкостью, поэтому изделия из чугуна получают в основном с помощью литья.
      Наиболее удивительной, можно сказать, легендарной сталью был булат. Его родина — страны Древнего Востока — Индия, Египет, Сирия. Изделия из булата обладали уникальными свойствами: высокой прочностью, упругостью, отличной способностью к затачиванию. Булатный клинок, который можно было согнуть дугой, пробивал железные доспехи и рассекал подброшенный в воздух шелковый платок. Секрет стали не столько в ее составе (он был прост — железо и углерод), сколько в чистоте исходных материалов (руды и угля), а главное — в обработке (ковке, нагреве, охлаждении). Только что откованный клинок подвергали закалке — ускоренному охлаждению в воде, растворе солей, в потоке воздуха. Таким образом, древние металлурги знали и умело использовали еще одно свойство металлов — способность увеличивать прочность и упругость йри быстром охлаждении из нагретого состояния.
      Железо и углерод — главные, но не единственные составляющие стали, она всегда содержит еще ряд элементов, Среди них есть и два поистине вредных элемента — сера и фосфор. Они стремятся проникнуть, хотя бы в микроскопических количествах, во всякую сталь, чтобы сделать свое «черное» дело — ослабить прочность стали, придать ей хрупкость. С этими врагами металлурги ведут непримиримую войну на всех фронтах, выявляя и изгоняя серу и фосфор сначала из исходных материалов (руды и кокса), а Затем при плавке чугуна и стали.
      Зато надежных друзей у стали гораздо больше, они помогают ей приобрести самые удивительные свойства, позволяют работать в пламени реактивных двигателей и в ледяном холоде криогенных установок, противостоять разъедающему действию агрессивных веществ, всем видам нагрузок. Эти друзья — добавки различных элементов, их называют легирующими. Всего доли процента ванадия придают стали исключительную упругость и высокую прочность. Из ванадиевой стали изготовляют самые ответственные детали автомобилей и самолетов (налы, оси, шестерни, рессоры). Марганец делает сталь стойкой к истиранию (износу). Поэтому марганцевая ; сталь идет на изготовление зубьев ковшей экскаваторов, рельсовых крестовин, гусеничных траков, деталей мель ниц и дробилок, Хром и никель — непременные состав; ляющие коррозионностойких (нержавеющих) сталей.
      Чаще всего приходится иметь дело со сталями конструкционными — из них изготовляют большинство деталей машин и строительных конструкций. Для наиболее ответственного назначения служат легированные конструкционные стали (никелевые, хромистые (марганцевые и др.). Если Вам попадается обозначение стали — ее марка, то Вы легко сможете узнать ее состав. Стали маркируют буквами, которые означают соответствующий легирующий элемент, и цифрами, которые указы; вают содержание данного элемента. Легирующие элементы имеют следующие обозначения: хром — X, никель — Н, кремний — С, марганец — Г, титан — Т, ; молибден — М, ниобий — Б, вольфрам — В, ванадий — Ф, алюминий — Ю, медь — Д, бор — Р, кобальт — К.
      В обозначении марки стали первые две цифры указывают содержание углерода в сотых долях процента, а цифры, стоящие после каждой буквы, — процентное ! содержание данного элемента. Если содержание леги; рующего элемента меньше или равно одному проценту, то цифра после буквы не ставится. Например, сталь 40ХН содержит 0,40 % углерода и по 1 % хрома и никеля.
      Резцы, сверла, фрезы, штампы и все остальные инст рументы изготавливают из инструментальной стали, которая бывает двух видов — углеродистая и легированная. Углеродистые стали маркируют буквой У и цифрой, указывающей содержание углерода в десятых долях процента: У7, У8 и так далее до У13. К легированным сталям относятся быстрорежущие, которые содержат молибден, ванадий, хром и кобальт, стали для штампов.
      В самолетостроении, электронике, приборостроении широкое применение находят сплавы на основе цветных металлов. Большой класс алюминиевых сплавов представляют хорошо известные дуралюмины, содержащие, кроме алюминия, медь, магний и марганец.
      Медные сплавы — это латуни и бронзы. Латуни — сплавы меди с цинком и другими элементами маркируют буквой Л и цифрой, указывающей содержание меди, например латунь Л90 содержит 90 % меди, остальное цинк. Сплавы меди с оловом, цинком и свинцом называют бронзами. Их маркируют буквами Бр, за которыми следуют буквы и цифры, обозначающие легирующие элементы и их содержание. Например, в бронзе Бр.ОЦС 8-4-3 содержится 8 % олова, 4 % цинка и 3 % свинца.
      Мы с Вами заглянули только в один уголок сказочного царства металлов, Впереди главная цель — познакомиться с тем, как металл обретает форму готового изделия.
     
      От жидкого к твердому
      Всякая деталь начинается с заготовки. Машиностроители получают ее в виде слитков, проката, поковок. Их свойства в немалой степени зависят от способа производства. Поэтому каждую партию металла сопровождает строгая характеристика — сертификат, в котором указываются завод-изготовитель, номер плавки, марка стали, ее химический состав и ряд других показателей. Приступая к разработке металлообрабатывающей технологии, полезно познакомиться с «историей» производства металла.
      Современное металлургическое производство — сложный многоступенчатый процесс. Он начинается с добычи и обогащения руд, углей, известняков и других сырых материалов, необходимых для выплавки металла, доменных печах из руды выплавляют чугун, часть его в виде небольших слитков (чушек) является конечной продукцией металлургического производства и поступает в литейные цехи машиностроительных предприятийДругая, большая часть чугуна в жидком виде передается в соседние сталеплавильные цехи. Здесь из чугуна, к которому добавляют металлический лом, варят сталь.
      Итак, сталеплавильщики сварили сталь и разлили ее в формы-изложницы. Поперечное сечение отливаемых слитков может быть круглым, квадратным, многогранным. Затвердевание (кристаллизация) расплавленного металла происходит неравномерно, в первую очередь застывает металл у стенок изложницы, в результате образуется слой мелких кристаллов. Следующие слои ме-
      Главные этапы металлургического производства:
      I — выплавка чугуна в доменной печи: II — выплавка стали и мартеновской печи (I), конвертере (2) и электропечи (3); III — разливка стали на наптине непрерывного литья. (4) и в изложницы (5); IV — прокатка
      талла затвердевают в виде вытянутых (столбчатых) кристаллов, а центральная часть слитка состоит из крупных беспорядочно расположенных кристаллов. В результате уменьшения объема металла при остывании в верхней части слитка образуются полость (усадочная раковина) и зона пористого металла (усадочная рыхлость). Верхнюю (головную) и нижнюю (донную) части слитка обрезают и направляют на переплав. Однако слиток неоднороден не только по своему строению, но и по химическому составу, плотности, распределению неметаллических включений.
      В нашей стране создан новый, прогрессивный способ разливки стали на машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ). Способ непрерывной разливки состоит в следующем. Из сталеплавильной печи металл выливают в сталеразливочный ковш, а из него в промежуточный ковш, который является своеобразным бункером-накопителем жидкого металла. Из промежуточного ковша струя металла попадает в кристаллизатор — это медная водоохлаждаемая изложница без дна. Перед началом разливки в нижнюю часть изложницы вводят так называемую затравку, которая служит временным дном изложницы. Металл, попадая в изложницу, начинает быстро застывать благодаря интенсивному теплоотводу в стенки кристаллизатора. Тянущий механизм продвигает вперед затравку, а за ней и образующийся бесконечный слиток. С целью дальнейшего охлаждения слитка, ускорения затвердевания внутренних объемов металла проводят вторичное охлаждение струями воды, направленными на поверхность слитка. Полностью застывший слиток поступает к режущему устройству, где его на ходу разрезают на отдельные заготовки с помощью газокислородных горелок или плазменных резаков.
      На машинах непрерывного литья заготовок можно получать слитки прямоугольного, квадратного и круглого сечения. Такие слитки обладают более однородной структурой (столбчатые кристаллы пронизывают почт» все поперечное сечение слитка), у них нет усадочной раковины, наконец, они дешевле слитков, получаемых в изложницах, Поэтому непрерывное литье все в большей мере вытесняет старый способ отливки слитков в изложницы.
      Непрерывная разливка металла дает возможность осуществить весьма заманчивую идею — совместить разливку и прокатку в единый непрерывный процесс. При этом теплота слитка используется для дальнейшей горячей деформации без нагрева. Кроме того, становятся ненужными все вспомогательные операции между плавильным и прокатным цехами, не надо транспорта, складов, оборудования... И хотя иа пути реализации этой идеи оказалось немало технических трудностей, уже соз-даны агрегаты для производства полос из жидкого расплава, алюминиевой и медной проволоки.
      Слиток служит исходной заготовкой для производства особо крупных деталей, поэтому на некоторых заводах тяжелого машиностроения имеются свои сталеплавильные цехи. Они производят заготовку непосредственно для своих кузнечных цехов, и называют эту заготовку кузнечным слитком.
      Основная же масса слитков, получаемых в сталеплавильных цехах металлургического завода, идет в прокатные цехи. Последуем за ними.
     
      Главный металлообрабатывающий
      Много чудес можно увидеть в цехах металлургического завода: из бесформенных кусков руды возникают ослепительные струи расплавленного металла, затем этот огненный поток превращается в многотонные металлические слитки. Но, пожалуй, самые сильные впечатления оставляют прокатные цехи. Поражают масштабы самих вытянувшихся на сотни метров зданий, мощь станов, которые без видимого усилия превращают раскаленные слитки металла в бруски и плиты, а далее в листы, трубы, балки, рельсы и многое другое, что называют одним словом — прокат.
      Ценнейшее свойство процесса прокатки — непрерывность обработки, обеспечивающая громадную производительность при высоком и стабильном качестве продукции.
      Это очевидное сегодня достоинство прокатки когда-то было причиной, задержавшей ее широкое использование. Этот парадоксальный, на первый взгляд, факт заслуживает более подробного изложения. Но для этого нам придется заглянуть в далекие времена средневековья.
      Великий Леонардо да Винчи, обогативший своим творчеством все области искусства и науки, был и талантливым инженером., Особенно привлекала его механика, в которой он видел ключ к тайнам мироздания. Даже живой организм он называл образцом природной механики. Леонардо да Винчи создал десятки проектов и моделей ткацких станков, деревообрабатывающих и печатных машин, подводной лодки, танка, летательных аппаратов, парашюта. Не осталась без его внимания и металлообработка — до нас дошли наброски проектов металлургических печей и прокатных станов. В 1495 году он описал стан для прокатки свинцовых полос, а в 1500 году — стан для прокатки круглых стержней.
      Однако эти изобретения долгое время не могли найти широкое применение в металлообработке. Дело в том, что объем производимого кричным способом Железа был низок и не позволял использовать главное достоинство прокатки — высокую производительность. Только с изобретением пудлингового способа производства железа английский инженер Корт применил прокатный стан для обработки пудлинговых криц
      Первые же прокатные станы с ручным приводом предназначались только для прокатки мягких металлов (свинца, олова). Позднее применение водяного двигателя привело к созданию станов, способных прокатывать нагретые железные заготовки. Еще более расширились возможности процесса прокатки, когда были сконструированы станы с приводом от паровой машины. Это произошло в начале XIX века. С помощью прокатки можно было получить листы и балки различного сечения. Конструкции станов совершенствовались, возрастала и мощность привода. Были созданы трехвалковые станы, а также реверсивные станы, валки которых имели возможность изменять направление своего вращения.
      В 30 — 40-х годах XIX столетия с развитием железных дорог растет спрос на железнодорожные рельсы. Были созданы специализированные рельсопрокатные станы. В 1857 году в США был сконструирован мощный трехвалковый стан для прокатки рельсов. В конце XIX — начале XX веков производство рельсов стало доминировать в прокатном производстве. В же время в практику строительного дела начинает входить сортовое железо — тавровые и двутавровые балки, швеллеры, угловой профиль. В 1863 году в России работало 34 прокатных стана с водяным и паровым приводами.
      Для военных флотов сооружались первые броненосцы. Для этого нужны были большие броневые плиты. Изготовление таких плит ковкой было процессом крайне трудоемким и дорогостоящим. В 1859 году русский механик В. С. Пятое1 сконструировал первый в мире мощный прокатный стан для производства броневых листов. Этот стан стал предшественником современных обжимных станов — блюмингов и слябингов.
      Итак, сущность прокатки состоит в том, что заготовкаперемещаясь между валками, обжимается и приобретает нужные размеры и форму. При продольной прокатке металл обжимается между двумя валками, вращающимися в противоположном направлении. Заготовка втягивается в зазор между валками под действием сил трения, обжимается по высоте и удлиняется, форма сечения заготовки принимает форму зазора между валками. Нели рабочая часть валков («бочка») гладкая, то из них будет выходить лист, полоса, лента.
      Для получения изделий, сечение которых имеет форму круга, квадрата, уголка, рельса, на валках вытачивают вырезы (ручьи) нужной формы, Ручьи на верхнем и нижнем валках, расположенные на одной оси, образуют калибр, форму которого приобретает прокатываемый металл. Исходная заготовка, проходя через ряд последовательно расположенных калибров, постепенно приоб» ретает форму и размеры готового изделия.
      Прокатные станы очень разнообразны и определяются характером технологического процесса и видом прокатываемой продукции. Есть станы для производства так называемого полупродукта, то есть заготовки для дальнейшего передела, и станы для выпуска готового проката. К первому типу станов, которые еще называют обжимными, относятся наиболее мощные — блюминги и слябинги для прокатки крупных слитков (массой до 0 тонн и более). На блюмингах слитки прокатывают в блюмы — заготовки квадратного сечения. В дальнейшем их используют для прокатки крупных профилей: балок, швеллеров, рельсов.
      Заготовки прямоугольного сечения в виде плит назы-рают слябами, а получают их как на слябингах, так и на блюмингах. Основная характеристика блюмингов и слябингов — диаметр валков. Если сравнивать с толщиной ствола дерева, то здесь может подойти только многове-ковый дуб в два-три обхвата.
      Для производства полупродукта служат также заготовочные станы, на которых из блюмов или слитков сравнительно небольшой массы прокатывают заготовки меньшего квадратного сечения. Если блюминг и слябинг содержат только одну клеть, то в заготовочном стане их несколько, расположены они последовательно, в ряд.
      Станы для выпуска, готового проката весьма многообразны как по виду производимых изделий, так и по конструкции. На рельсобалочных станах прокатывают ре,льсы, а также крупные двутавровые балки и швеллеры, шпунты (стальные сваи) и другие профили больших размеров. Станы для производства сортовой стали (квадрат, круг, полоса, уголок, балки, швеллеры) в зависимости от диаметра валков и соответственно размеров получаемого проката подразделяют на крупносредне-и мелкосортные. На проволочных станах получают круглый профиль, так называемую катанку. Полосовую сталь (штрипсы), которая служит заготовкой для производства сварных труб, прокатывают на полосовых (штр и псовых) станах, которые также относятся к непрерывным сортовым станам.
      Примерно половинувсего производимого проката составляет листовая сталь. Толстый лист идет на нужды судостроения, котлостроения, мостостроения и других
      Так валки сортопрокатного стана превращают квадратную заготовку в кол Осу, пруток, двутавровую балку и рельс
      подотраслей народного хозяйства. Не меньше спрос на тонколистовую сталь в автотракторном, авиационном, транспортном машиностроении, производстве предметов широкого потребления (холодильников, стиральных машин ит. п.), электротехнической промышленности, Толстолистовую сталь прокатывают в горячем состоянии, тонкие листы получают холодной прокаткой, обеспечивающей высокое качество поверхности и точность размеров. Основная характеристика листовых станов — длина валка: у толстолистовых он достигает 5000 мм. Если Вы услышите о пуске в действие нового листового стана 2000, то знайте — это стан с длиной рабочей части валков 2000 мм и на нем прокатывают листы такой же ширины. На первый взгляд может показаться, что получение листа — самый простой вид прокатки; плоская заготовка обжимается между гладкими валками, при этом уменьшается ее толщина и увеличивается длина. Действительно, принцип листовой прокатки прост и если дело касается производстваотносительно толстых листов, то особых проблем не возникает. Сложности начинаются при уменьшении толщины листа. Чем он тоньше, тем выше требования к точности размеров (равномерности толщины по всей площади листа), качеству поверхности. И тем труднее эти требования выполнить.
      Понятно, что форма и размеры поперечного сечения листа точно соответствуют форме и размерам зазора (щели) между валками, в идеале эта щель должна иметь постоянную высоту по всей длине валка. Однако реальные условия прокатки позволяют только в той или иной мере приблизиться к этому идеалу. Й вот почему. Во-первых, валки, на которые обрабатываемый металл давит с той же силой, что и валки на металл (действие равно противодействию), изгибаются. Упруго деформируются и все остальные детали прокатной клети — величину этой деформации называют «пружиной» клети. При Про хатке тонкой и прочной полосы может оказаться, что стан вообще не в состоянии будет обжимать металл — полоса «невредимо» проскочит между валками, не уменьшив своей толщины, деформироваться (упруго) будет только сам стан. Во-вторых, середина валка при прокатке разогревается и расширяется в большей степени, чем крайние участки, и валки приобретают бочкообразную форму. Наконец, в-третьих, в процессе работы валки изнашиваются, следовательно, их диаметр в течение срока службы уменьшается. Каков же будет зазор между валками в результате взаимодействия всех факторов? На этот вопрос можно ответить, только производя весьма сложный расчет, на основе которого следует принимать практические меры.
      Самый простой прием — заранее сделать валки слегка выпуклыми или вогнутыми на величину, которая скомпенсирует изменение их формы и размеров при прокаткеДля предотвращения неравномерного теплового расширения валков применяют охлаждение их средней части во время прокатки. Изгиб можно устранить с помощью спедиальной системы противоизгиба, которая заранее будет изгибать валки в противоположном направлении
      Для уменьшения изгиба валков применяют также дополнительные (опорные) валки, диаметр которых, а следовательно, и прочность намного больше, чем у основных (рабочих) валков. Опорные валки, как это следует из их названия, подпирают рабочие валки, помогая им противостоять натиску обрабатываемого металла, Чтобы сделать конструкцию еще более жесткой, устанавливают] десять и даже восемнадцать опорных валков, образующих две пирамиды, в вершинах которых расположены рабочие, валки. В двадцативалковых станах установлены два рабочих и восемнадцать опорных валков-Диаметр рабочих валков может не превышать толщины карандаша или даже вязальной спицы, прокатывают на них тончайшую и высокоточную фольгу для микродеталей ЭВМ, сталь для изготовления кинескопов.
      И все-таки зарнее предусмотреть все факторы, которые могут повлиять на изменение толщины полосы прй прокатке, невозможно, даже если использовать все выше приведенные приемы. Самый эффективный путь обеспе-чения высокоточной листовой прокатки — применение быстродействующих систем автоматического регулирования толщины полосы непосредственно в процессе прокатки. Такие системы уже работают, они основаны на непрерывной фиксации всех отклонений в толщине полосу и мгновенной перестройке стана, направленной на компенсацию этих отклонений.
      В заключение короткого рассказа о листовой прокатке приведем старинный уральский «рецепт» получения кровельного железа. В России кровельное железо различали по массе одного листа, которая составляла от 6 до 14 фунтов (I фунт равен примерно 0,4 килограмма). Для прокатки, например, 12-фунтового железа из слитка сначала получали полосу шириной 150 и толщиной 5,5 миллиметра. Затем ее разрезали на 6 листов длиной 750 миллиметров, которые нагревали в печи при недостаточном притоке кислорода (в коптящем пламени), чтобы они меньше окислялись. Нагретые листы складывали в пачки по две штуки в каждой, насыпая между листами размолотый древесный уголь (это не давало листам свариться при прокатке). Получившиеся три пары листов последовательно катали поперек их длины, чтобы увеличить ширину до 300 — 350 миллиметров. Полученные листы снова нагревали и составляли из них две пачки по три листа в каждой («тройка»), пересыпая их молотым углем. Эти «тройки» прокатывали, затем листы нагревали, составляли новые пачки — три «четверки» и прокатывали их. После этого пачки разбирали, листы сортировали и снова складывали в толстые пачки по 30 — 40 пудов, нагревали и проковывали, нанося более 600 ударов. В результате уральское кровельное железо покрывалось тонким слоем оксида железа. Этот слой придавал листу блеск и защищал от ржавления.
      О качестве этого металла (за границей его называли «русским кровельным железом») говорит следующий факт. После пожара Гостиного двора в Свердловске оказалась, что снятое с его крыши железо, которое прослужило 100 лет, почти не проржавело. По некоторым данным, крыши Вестминистерского аббатства в Лондоне и сейчас покрыты уральским железом.
     
      ПОСЛУШНЫЙ И НЕПРЕКЛОННЫЙ
      Проделаем простой опыт. Возьмем два предметаластик и кусок пластилина. Теперь сожмем их, результат совершенно очевиден: как бы мы ни сгибали резинку, она вновьпримет свои прежние размеры и форму — это упругая деформация. Совсем иначе ведет себя кусок пластилина — даже небольшое воздействие приводит к необратимому изменению его формы. Такая деформация называется пластической,
      У металлов наблюдаются оба вида деформации, причем пластическая всегда сопровождается упругой, а их; совокупность составляет полную деформацию. Под действием внешних сил первоначально возникает упругая деформация, которая развивается только до некоторого предела, после чего начинается пластическая. Когда действие внешних сил будет прекращено, упругая деформация исчезнет, а пластическая сохранится.
      Итак, обработка давлением основана на способности металла изменять свою форму без разрушения под воздействием внешних сил. Это свойство металла называютпластичностью, а процесс изменения формы и размеров тела под действием внешних сил — деформацией. Поэтому обработка давлением называется еще пластической деформацией металлов. В чем же состоит Природа этого ценнейшего свойства металлов — способности деформироваться? Чтобы ответить на этот непростой вопрос, необходимо рассмотреть строение металлов.
     
      Как «устроен» металл
      А как «устроен» любой материал, любое вещество? Из чего оно состоит? Над этим человек стал задумываться очень давно. В первом тысячелетии нашей эры философы Древней Греции предположили, что всякое вещество состоит из мельчайших невидимых глазом частиц — атомов. Это была счастливая мысль, и можно считать, что с нее началась наука о материалах.
      Это наука о взаимосвязи между свойствами материала и его химическим составом, а также внутренним строением — структурой, то есть характером расположения компонентов, которые входят в этот материал. Зная внутреннюю структуру металла, можно понять его свойства. При этом возможно не только разрабатывать эффективные методы обработки тех металлов, которые нам подарила природа, но и создавать новые металлические материалы с заранее заданными свойствами
      Сегодня мы знаем, что, как и предполагали ученые древности, все простые вещества (элементы) состоят из атомов — частиц диаметром от 10-10 до 510“10 метра. Известно, что атом состоит из ядра, имеющего положительный заряд, и отрицательно заряженных электронов. Их число равно порядковому номеру элемента в Периодической системе.
      Следующий вопрос, на который нам необходимо ответить, — как атомы вещества связаны между собой? В атомной структуре материалов встречаются несколько типов связей. Рассмотрим три из них: ионную, ковалентную и металлическую. При ионной связи электроны переходят от одного атома к другому, в результате атом, отдавший электрон, становится заряженным положительно, а атом, захвативший электрон, получает отрицательный заряд. Положительно и отрицательно заряженные атомы называют ионами. Противоположно заряженные ионы притягиваются друг к другу, связывая атомы между собой. Это весьма прочная связь, ограничивающая движение электронов, она характерна для солей и оксидов.
      Второй тип связи — ковалентная, в этом случае электроны, находящиеся на внешней оболочке, примерно равномерно поделены между соседними атомами. При ковалентной связи пары атомов имеют общие электроны на внешних оболочках. Силы притяжения здесь слабее, чем при ионной связи, однако ковалентная связь является сильно направленной, она прочно фиксирует взаимное расположение атомов. Алмаз (самый твердый материал) состоит из атомов углерода, соединенных ковалентными связями,
      И, наконец, третий тип связи — металлическая. Она возникает тогда, когда атомы максимально сближены подобно уложенным в коробку1 шарам. В результате электрические поля атомных ядер перекрываются. Электроны, находящиеся на внешних сферах атомов, попадают под действие электрического поля нескольких ядер. Эти электроны теряют связь со своими атомами и могут перемещаться, поэтому металлы хорошо проводят электрический ток. Притягиваясь к электрически положительным атомам, электроны прочно связывают их. Группы атомов, связанных металлической связью, образуют элементарные ячейки, которые периодически повторяются по всему объему металла. Такое упорядоченное рас положение элементарных ячеек образует кристаллическую решетку. Современные электронные микроскопы позволяют непосредственно наблюдать атомную структуру кристаллической решетки металлов.
      Металлы с высокой пластичностью (алюминий, золото, медь; никель, свинец, серебро) при нормальных условиях имеют гранецентрированную кубическую решетку с ячейками в форме куба, в вершинах которого и в центре граней располагаются атомы. Другая группа металлов (менее пластичных, чем первая) — ванадий, вольфрам, литий, молибден, тантал, хром — обладает объемноцентрированной кубической решеткой с ячейками в форме куба, атомы здесь располагаются в вершинах (восемь атомов) и в центре (один атом) куба. Более сложную (гексагональную) решетку имеют бериллий, кадмий, магний, титан, цинк. Эта решетка имеет вид шестигранной призмы, в вершинах и в центрах оснований которой расположено по одному атому, еще три атома размещены внутри призмы.
      При воздействии на.металла внешних сил происходит смещение (сдвиг) отдельных слоев кристаллической решетки; однако благодаря способности электронов перераспределяться, свободно перемещаясь относительно друг друга, связи между слоями сохраняются и металл, изменяя свою форму, не разрушается.
      Итак, деформация осуществляется путем сдвига, скольжения атомных плоскостей. Однако расчет сил, необходимых для одновременного сдвига одной части кристалла относительно другой, показал, что теоретическая прочность металла, его способность сопротивляться пластической деформации в тысячи и даже в десятки тысяч раз превышает реальную, то есть ту, которая обнаруживается на практике.
      В чем же причина этого громадного расхождения между действительным поведением Металла и тем, которое ему «предписано» теорией? В любой области человеческих знаний на подобный вопрос можно ответить однозначно — причина в несовершенстве теории, ибо критерий истины — практика.
      Для объяснения поведения реальных металлов была предложена так называемая дислокационная теория. Дислокации — это дефекты в строении кристаллической решетки, возникающие в результате неполного сдвига одной части кристаллу относительно другой. Вот как это происходит. Когда к кристаллу прикладывается сила, половина крайней атомной плоскости (полуплоскость) сдвигается внутрь кристалла до тех пор, пока не сблизится соследующей атомной плоскостью. В результате половина этой второй плоскости разорвется и сдвинется, уступая место первой полуплоскости. А в кристалле появится дополнительная полуплоскость, ее-то и называют дислокацией. Пока на кристалл действует сила, дислокация будет двигаться по нему, продолжая обрывать и восстанавливать атомные плоскости. Таким образом, процесс сдвига происходит постепенно, шаг за шагом (длина этого шага — одно межатомное расстояние), распространяясь вдоль плоскости скольжения и захватывая все большую ее часть. Важно отметить, что при этом разрываются не одновременно все атомные связи между верхней (сдвигаемой) и нижней частями кристалла, а только связи вдоль одной атомной линии. А для этого требуются уже значительно меньшие нагрузки, чем те, которые нужны для одновременного сдвига по всей плоскости скольжения. Следует отметить, что в природе такой «прием» нередок,-примером может служить «механизм» передвижения червяка или гусеницы с помощью периодического перемещения складки, волнообразование.
      Сколько же в реальном металле дислокаций? Все зависит от самого металла: если это специально выращенный кристалл с почти идеальным, бездефектным строением, то дислокаций в нем относительно мало. Если же взять сильно деформированный металл, то в нем можно «насчитать» колоссальное число этих дефектов. Насыщенность кристалла дислокациями (плотность дислокаций) определяют их суммарной длиной в одном кубическом сантиметре металла. В одном кубическом сантиметре сильно деформированного металла общая длина всех дислокаций в 100 раз превышает длину земного экватора.
      С возрастанием плотности дислокаций прочность материала также увеличивается, так как «спутанные в клубок» дислокации теряют способность к перемещению под действием нагрузки.
      Каким же образом формируется структура реальных металлов? Металл рождается в огне, из плавильной печи он выходит, точнее вытекает в виде жидкости. В расплавленном металле атомы перемещаются, интенсивно «обмениваются» местами. Чем выше температура, тем меньше порядка во взаимном расположении атомов. Но вот металл разлит в формы (изложницы), начинается кристаллизация, то есть переход из жидкого состояния в твердое. Движущей силой этого процесса, как и всякого другого самопроизвольно протекающего в природе, является стремление вещества в наименьшему запасу свободной энергии, то есть к наиболее устойчивому состоянию. По мере охлаждения металла подвижность атомов уменьшается и, наконец, становится столь незначительной, что во многих участках одновременно появляются группы устойчивых атомов — кристалликов. Эти кристаллики-зародыши притягивают к себе соседние атомы из жидкого металла, растут, сближаются и срастаются друг с другом. В итоге образуется твердый металл, состоящий из множества кристаллов неправильной формы, которые называют зернами. Основной объем зерна имеет относительно правильную кристаллическую структуру, и только на границах кристаллическая рещетка искажена из-за взаимодействия с соседними зернами.
      Таким образом, структура реальных металлов представляет собой множество разнообразных ориентированных зерен с кристаллическим строением. Размеры зерен, зависящие от режима охлаждения жидкого металла и других факторов, могут изменяться в значительных пределах — от тысячных долей миллиметра до нескольких сантиметров. Каждое отдельное зерно обладает характерной особенностью кристаллических тел — анизотропией (различием свойств в разных направлениях). Это объясняется тем, что свойства твердых веществ зависят от расстояний между атомами, а в кристаллах эти расстоя-г ния различны в разных направлениях. Однако в теле, состоящем из множества различно ориентированных кристаллов, свойства (в том числе механические) одинаковы во всех направлениях и имеют некоторое усредненное значение.
     
      Изменяя форму, повышаем качество
      Когда к металлическому телу прикладывают нагрузку, происходят деформация каждого зёрна и перемещение (поворот) зерен относительно друг друга. Таким образом, наблюдается внутризеренная и межзеренная деформация, причем первый вид деформации — основной.
      Вблизи границ зерен деформация затруднена, то есть пограничный слой более прочен, чем основное тело зерна. Это вызывается тем, что в слоях, примыкающих к границе, кристаллическая решетка искажена, в ней содержится большое число дислокаций. С ростом прикладываемой нагрузки увеличивается деформация зерен, которые вытягиваются в направлении наиболее интенсивного течения металла и образуют волокнистую структуру. Столь существенные изменения структуры неизбежно приводят к изменению механических и физических свойств металла: он становится более твердым и хрупким, возрастают его электрическое сопротивление, магнитная проницаемость, изменяются теплопроводность и другие свойства.
      Изменение структуры и свойств металла в результате пластической деформации называют наклепом или упрочнением. Явление наклепа можно объяснить с помощью дислокационной теории. Упрочнение вызывается тем, что продвижение дислокаций по кристаллу затрудняется из-за застревания их у препятствий и образования «заторов» — скоплений дислокаций. Препятствиями служат границы зерен, протяженность которых увеличивается с ростом деформации, в результате чего возникает больше мест скопления дислокаций. Движение дислокаций облегчает деформацию металла, делает его более податливым. Если же движение дислокаций затруднено, то труднее осуществить и деформацию, значит металл становится прочнее.
      Основываясь на дислокационной теории, можно определить пути создания металлов с повышенной прочностью. Пути эти совершенно противоположны друг другу. Первый заключается в получении металла с почти идеальной (с минимумом дефектов) кристаллической рещеткой. Достигается это путем кристаллизации металла в особых условиях, в результате «выращивают» нитевидные кристаллы — «усы». Их диаметр составляет всего несколько микрометров. Прочность «усов» железа на разрыв в 50 раз выше, чем у обычного железа.
      Второй путь получения высокопрочных металлов — создание в них большого.количества дислокаций и других дефектов кристаллического стрбения. Эти дефекты, затрудняя движение дислокаций, приводят к упрочнению металла. На практике этот эффект достигают добавлением в металл других элементов, атомы которых внедряются в кристаллическую решетку основного металла, искажают ее и поэтому создают препятствия для перемещения дислокаций. Применяют также пластическое деформирование металла, в результате которого возникает большое количество дислокаций. Такое упрочнение называют деформационным, проявляется оно, например, в том, что согнуть металлическую проволоку или пластину легче, чем затем разогнуть.
      Деформационное упрочнение, устойчиво только при сравнительно низких температурах. Нагрев до температуры, превышающей значение одной трети температуры плавления данного металла, приводит к переводу металла в более устойчивое состояние — внутренние напряжения ослабляются, плотностьдислокаций уменьшается. Одновременно происходит повышение пластических свойств металла и уменьшение прочностных характеристик. Этот процесс называют возвратом или отдыхом.
      Если продолжить нагрев металла, то в нем начинаются более глубокие изменения свойств, называемые рекристаллизацией, Происходят зарождение и рост новых зерен за счет старых (деформированных). Со временем структура металла полностью обновляется, становится более однородной, прочность и пластичность возвращаются к тем значениям, которые металл имел до деформации.
      Если металл подвергают деформации в нагретом состоянии, то явления наклепа и рекристаллизации протекают почти одновременно и конечные свойства металла будут определяться их взаимным влиянием. Деформацию, выполняемую при температурах более низких, чем температура, при которой происходит рекристаллизация, называют холодной. Горячей деформацией называют такую, которую осуществляют при температурах, обеспечивающих протекание процессов рекристаллизации. Основным преимуществом горячей деформации является значительное повышение податливости металла при нагреве, что снижает необходимые для его обработки усилия. Поэтому горячую деформацию применяют обычно при обработке изделий с большими размерами поперечного сечения (слитков, крупных заготовок). Холодную деформацию используют главным образом на конечных стадиях получения изделий, когда необходимо обеспечить хорошее качество поверхности, высокие механические свойства и точность размеров.
     
      Куда металл потечет?
      Чтобы получить из металла какую-либо деталь или заготовку, необходимо выбрать тот способ деформации, который обеспечит течение металла в нужных направлениях. Этот способ должен учитывать «характер металла» — его склонность к пластическому деформированию, умело использовать «слабые» и «сильные» стороны природы металла.
      Основные закономерности течения металла можно пронаблюдать на простом опыте. Слепите из пластилина кубик — модель металлического тела. Ее поведение будет достаточно верно отражать поведение металла в подобных условиях. Подвергнем кубик деформации, усилие при этом будем прикладывать разными способами.
      Если сжать кубик по двум противоположным граням, то он уменьшится по высоте и растечется, превратясь в лепешку (так ведет себя металл при ковке, когда на него действуют бойки молота или пресса). Это значит, что его боковые грани деформировались неравномерно — максимальное течение произошло в направлениях, перпендикулярных сторонам куба, а минимальное — в направлениях его диагоналей. Почему так происходит? Дело в том, что каждая частица металла стремится двигаться по пути наименьшего сопротивления. Такая «жизненная позиция» знакома, видимо, многим из нас. Что же препятствует свободному течению металлов? Это силы трения между металлом и поверхностью обрабатывающего инструмента, которые не дают ему скользить. по поверхности инструмента. При этом чем более частица удалена от границ контактной поверхности, тем большее! сопротивление оказывают силы трения. Позтому-то движение частиц направлено к ближайшей границе, то есть туда, где они будут испытывать наименьшее противодействие. Поскольку все частицы связаны между собой, такой же характер их перемещения наблюдается и в других слоях металла, удаленных от контактной поверхности.
      И еще одно очень существенное проявление сил трения металла с инструментом: действие их не одинаково по объему деформируемого металла. В наибольшей степени трение затрудняет движение металла вблизи зоны контакта с инструментом. Это действие уменьшается по мере удаления от зоны контакта в глубь металлического тела. Поэтому боковые грани нашего кубика выгибаются, придавая ему бочкообразную форму.
      Если слепить еще один пластилиновый кубик и сжать его с четырех взаимно противоположных сторбн, то в результате уменьшится высота и ширина кубика — металл устремится в длину в направлении свободных граней, кубик превратится в брусок. Так ведет себя металл, например, при прокатке в валках с калибрами — валки охватывают и обжимают заготовку с четырех сторон, раскатывая ее в длину. Если усилия, прикладываемые к одной паре граней кубика, больше, чем к другой, то металл будет течь не только в длину, но и в направлении тех сторон, где усилия меньше. Это можно наблюдать при прокатке листа в гладких валках, когда основной объем металла устремляется в длину, а небольшая часть в ширину (здесь течение металла сдерживается только силами трения, действующими вдоль валка, силы эти меньше сил, с которыми валки обжимают металл). Сожмем теперь кубик по всем шести граням. Если усилия, прикладываемые ко всем граням, будут одинаковы, то с кубиком ничего не произойдет. Все усилия уравновесят друг друга и получится, как в басне Крылова, когда лебедь, рак и щука не смогли сдвинуть с места воз с поклажей. Стоит только ослабить давление с какой-нибудь стороны, и металл сразу же устремится туда, где давление меньше.
      Во всех трех случаях металл подвергался сжатию, и он при этом растекался, вытягивался, сплющивался. Но ведь можно деформировать и другим способом, например растягивая металл. Попробуйте применить этот прием — растяните пластилиновый кубик. Что же получится? Уже после небольшой деформации он разорвется пополам. Отсюда следует вывод — металл «не любит», когда к нему прикладывают даже не очень большие растягивающие усилия, под их действием он быстро разрушается. Тем не менее существует процесс обработки металла с помощью растяжения волочение. Заготовку протягивают через волоку, прикладывая к концу заготовки растягивающее усилие. Однако величина деформации здесь невелика, что и ограничивает возможности волочения.
      Пластичность металла — способность изменять под нагрузкой свою форму не разрушаясь. Эта способность зависит не только от природных свойств металла, но и of того, каким образом его деформируют. Хрупкий по природе металл можно привести в пластичное состояние при благоприятном нагружении. И наоборот, природно пластичный металл может разрушиться даже при небольшой деформации и «проявить» хрупкость при «неудобной» схеме нагружения.
      Лучшая схема — это всестороннее сжатие, при котором металл проявляет «чудеса пластичности». Самые неподатливые высокопрочные сплавы послушно принимают заданную им форму. Да что там металл, даже такой хрупкий материал, как мрамор, можно оказывается пластически деформировать при интенсивной сжимающей нагрузке. В облицовке подземных дворцов метро можно найти мрамор с волнообразно изогнутыми полосами — это следы пластической деформации мрамора, прошедшей миллионы лет тому назад под действием сжатия в земных недрах. Такой же эффект можно получить и в лабораторных условиях, подвергнув кусок мрамора всестороннему сжатию на специальном прессе.
      Схема всестороннего сжатия, обеспечивающая наибольшую пластичность металла, используется почти во всех процессах обработки давлением (при прокатке, ковке, прессовании). Самую высокую пластичность достигают при прессовании, правда, для этого надо приложить . весьма большие нагрузки. Хорошая пластичность наблюдается при прокатке, ковке и штамповке, усилия деформирования при такой обработке меньше, чем при прессовании. А вот при волочении пластичность металла понижена, так как металл сжимается только в двух направлениях, а в направлении волочения растягивается. Однако для проведения этого процесса требуются наименьшие усилия.
      Все рассмотренные особенности поведения металла при различных способах обработки учитывают при создании технологии получения каждого конкретного изделия.
     
      Как измерить деформацию?
      Итак, изменение формы тела (заготовки) при обработке давлением происходит благодаря перемещению частиц металла в новое устойчивое положение, масса тела при этом остается постоянной. Однако объем тела в ряде случаев может несколько изменяться. Это относится прежде всего к первым стадиям деформации, когда благодаря устранению дефектов слитка (газовых пузырей, рыхлостей, трещин) происходит увеличение плотности металла. Например, стальной слиток при Црокатке на блюминге уменьшает свой объем на несколько процентов. Дальнейшая горячая деформация металла идет без изменения его объема.
      Иначе ведет себя металл при обработке в холодном состоянии. В результате дробления кристаллов в структуре металла появляются миКропустоты. Из-за этого плотность холоднодеформированного металла может измениться на доли процента. Если такой металл подвергнуть термической обработке, сопровождающейся рекристаллизацией и «затягиванием» микропустот, то его плотность восстановится.
      Столь незначительное изменение плотности металла позволяет считать объем деформируемого тела неизменным, данное положение называют условием постоянства объема и используют его при расчетах технологических операций обработки давлением.
      Возьмем металлическую заготовку в форме прямоугольного параллелепипеда (бруска), стороны которого
      имеют размеры: Я, В и L.
      Продеформируем брусок — обожмем его так, что стороны примут размеры Л, Ь и Z. В этом случае условие постоянства объема будет иметь следующий вид: HBL = hbl или (ЯIЛ) (Bb) (LIt) =
      = L Выражения ЯIЛ, Bb и Ll будут характеризовать изменение размеров заготовки при деформации в соответствующем направлении. Отношение Ll показывает изменение продольного размера заготовки и называется вытяжкой, которая показывает, во сколько раз увеличилась длина заготовки. Соотношение размеров по высоте до и После обработки ЯIЛ — высотная деформация, прокатчики называют ее обжатием, а. кузнецы — уковом. Изменение размеров в поперечном направлении (по ширине заготовки) Bb называют поперечной деформацией, или уширением.
      Вот эти несложные показатели степени деформации металла при обработке давлением .помогут при знакомстве с технологическими процессами ковки, прокатки, штамповки, прессования, волочения.
     
      ПРЕВРАЩЕНИЯ ПРОДОЛЖАЮТСЯ
      Металлообрабатывающий цех современного машиностроительного предприятия может поразить громадными размерами и мощью кузнечных прессов, ослепительным жаром многотонных слитков, а может удивить тишиной и безлюдьем длинных рядов машин-автоматов. В одни ворота этого цеха поступают заготовки: слитки, прутки, листы, ленты, а из других выходят тысячи и тысячи деталей разной формы для самых разных машин, конструкций, приборов.
      Главная тенденция современной металлообработки — полная механизация и автоматизация технологических операций, объединение оборудования в гибкие комплексы, сиособные к быстрой перенастройке на новый вид продукции. Все смелее входят сюда роботы. Ведь человек уже не успевает за растущими скоростями современных металлообрабатывающих машин. Ручное обслуживание машин не позволяет полностью использовать все возможности новой техники. Действия же робота, подчиненные воле электронного мозга, быстры, точны, стабильны.
      Существует пять основных способов обработки металла давлением; ковка, штамповка, прокатка, волочение и прессование. Каждый из них имеет свою преимущественную область применения. Обычно при получении какой-либо детали на разных стадиях используют несколько видов обработки давлением. В результате все существующие способы дополняют друг друга, взаимно расширяют свои возможности.
      Необычайно разнообразно оборудование для обработки металлов давлением: громадные обжимные прокатные станы и прессы, роботизированные ковочные комплексы, полностью автоматизированные штамповочные линии, деталепрокатные агрегаты, уникальные станы для получения тончайшей фольги и проволоки.
     
      Самый универсальный
      С далеких времен дошло до нас глубокое уважение к людям огненной профессии — кузнецам, к их нелегкому, но такому нужному делу. От него, видимо, и зародились крылатые выражения: ковать счастье, ковать победу, кузница кадров. Желая подчеркнуть четкость и выразительность поэтического произведения, говорят — кованый стих. А вот и образец такого стиха:
      Надеть должна ты латы боевые,
      В железо грудь младую заковать.
      (В. Жуковский, «Орлеанская дева»),
      А. И. Куприн в статье, посвященной памяти А. П. Чехова, писал: «Где он выковал свой великолепный, единственный в русской литературе язык?»
      Как не привести в этом маленьком «литературном» отступлении восклицание гоголевского героя: «А какой важный живописец был! Какие ножи крепкие, серпа, плуги умел выковать!»
      Не счесть народных пословиц и поговорок на всех языках мира, воспевающих славу мастерам кузнечного дела. Одна из них гласит: кузнец всем ремеслам отец. Действительно, все способы обработки металла произошли от ковки. Однако наш Век — век специализации: в каждом конкретном случае используют тот способ обработки, который при наименьших затратах позволяет получить изделие с заданными свойствами и с необходимой производительностью. И все-таки ковка по-прежнему остается универсальным процессом. Ее широко применяют при индивидуальном и мелкосерийном производстве для изготовления деталей малых и средних размеров (осей, шатунов, валов, рычагов). Производство небольших партий таких деталей другими способами (штамповкой или прокаткой) экономически невыгодно, так как требует создания специального дорогостоящего инструмента (штампов, валков).
      Незаменима ковка и при ремонтных работах, особенно в сельских условиях. При помощи самого простого инструмента опытный кузнец может быстро отковать довольно сложную деталь, сварить ее с другой деталью, изготовить нужный инструмент, да и лошадь подковать — тоже его дело
      Что же касается получения таких деталей, как многотонные валы мощных гидрогенераторов и турбин, гребные валы атомоходов и супертанкеров, то тут без ковки обойтись просто невозможно. Также незаменима ковка и при производстве крупных пустотелых поковок: сосудов и котлов высокого давления, барабанов, колец.
      Ковка — единственный на сегодня способ получения такой экзотической продукции, как сусальное золото — золотая фольга толщиной 0,1 — 1 мкм. Этой технологии около 3000 лет и вот, в чем она заключается. Сначала полоски золота прокатывают на стане до толщины 0,03 мм, затем их разрезают на небольшие листики и укладывают в пакет из 150 слоев. Чтобы листики золотой фольги не соединялись между собой, между ними помещают прокладки. Материал прокладок весьма необычен — оболочка слепой кишки животных, только она способна создать условия для успешного проведения дальнейших операций. Полученный пакет закладывают в кожаную обойму (здесь тоже используют только натуральный материал). Обойму с пакетом фольги укладывают на наковальню из мрамора или гранита и проковывают, разумеется, вручную, молотком. По этой древней технологии, необходимо нанести 1200 ударов. После столь основательной проработки пакет разбирают, листики золота разрезают на четыре квадратика и из них вновь собирают пакет с прокладками в кожаной обойме. Снова проковывают пакет, на этот раз надо нанести 2700 ударов молотком. И еще один такой же технологический цикл — разборка пакета, резка фольги, сборка пакета и третья ковка — 8000 ударов молотком. Сусальное золото готово! Этот «эфемерней» материал настолько то, нок, что его нельзя брать руками. Мастер-золотильщик пользуется кисточкой из тонких шерстинок, к которым притягивается золотой листик-недотрога.
      Теперь давайте познакомимся о ковкой поближе. Процесс ковки складывается из нескольких основных и вспомогательных операций: осадки, протяжки, разгонки, рубки, прошивки, -гибки, кузнечной сварки и ряда других. Для выполнения каждой операции служит свой инструмент, с помощью которого производятся деформация металла, а также манипулирование заготовкой при обработке. Применяя данные операции в различной последовательности, кузнец постепенно придает заготовке форму поковки с заданными размерами.
      Одна из операций — осадка — заключается в уменьшении высоты заготовки при одновременном увеличении площади ее поперечного сечения. Применяют осадку и как самостоятельную операцию при изготовлении поковок типа дисков, и как промежуточную операцию процесса ковки. При осадке изменяются не только размеры заготовки, но и ее форма: если осаживать цилиндрическую заготовку, то получим бочкообразное тело. Такая неравномерность деформации (бочкообразование) вызывается силами трения на поверхности контакта металла сбойками. Эти силы трения затрудняют течение прнкон-тактных слоев металла заготовки, средние же слои не испытывают сдерживающего действия контактных сил трения и поэтому деформируются в большей степени. Осадку части заготовки называют высадкой.
      Следующая операция — протяжка, суть которой в удлинении заготовки или ее части за счет уменьшения площади поперечного сечения. При протяжке в отличие ог осадки заготовку обрабатывают участками, последовательно задавая ее под бойки молота. Сжимаемый по высоте металл течет в направлении длины и ширины заготовки. В результате нескольких операций протяжки,, сопровождающихся поворотами заготовки, последняя постепенно удлиняется. Для протяжки применяют бойки различной формы (плоские, вырезные).
     
      БОЙКИ ОБЖИМКИ
      Основные операции ковки и используемый инструмент.
      Яротяжка (а) и разгонка (б); I — верхний боек; 2 — заготовка (стрелки показывают направление движения заготовки и инструмента)
      Если требуется увеличить ширину части заготовки за счет уменьшения ее толщины, то применяют операцию разгонки. Осуществляют ее с помощью инструмента — раскатки, которую накладывают на заготовку под боек молота и после каждого удара перемещают вдоль уширяемой части заготовки. Образовавшуюся ребристость поверхности затем устраняют с помощью другого инструмента — гладилки.
      Для отделения части заготовки применяют операцию рубки. Заготовку укладывают на нижний боек, сверху накладывают инструмент (топор); при ударе верхнего бойка топор внедряется в заготовку на глубину, несколько меньшую высоты заготовки. Затем топор удаляют, а заготовку переворачивают и с помощью другого инструмента (обсечки) ударом верхнего бойка осуществляют окончательное отделение части заготовки. Можно не переворачивать надрубленную заготовку, а под1 ложить под нее обсечку и ударом бойка по заготовке завершить рубку.
      Операция прошивки служит для образования сквозной полости или углубления в заготовке с помощью прошивня. Заготовку устанавливают на нижний боек пресса, сверху на заготовку помещают прошивень. Верхний боек, действуя на прошивень, внедряет его в тело заготовки, Применяют также двустороннюю прошивку. При получении отверстий большого диаметра с целью уменьшения усилия прошивки используют полые прошивни.
      Кузнечная сварка — это процесс соединения в одно целое отдельных частей поковки. Сейчас этот древнейший и весьма надежный способ сварки применяют в основном при ремонтных работах. Перед сваркой проводят подготовку концов свариваемых деталей, которые предварительно нагревают до температуры ковки. При сварке внахлестку свариваемые концы заготовок отковывают, придавая им скос. Затем заготовку нагревают до температуры сварки, которая существенно превышает температуру ковки и для сталей составляет 1270 — 1400 °С. Заготовка из малоуглеродистой стали приобретает ослепительно белый цвет, а заготовка из стали с большим содержанием углерода нагревается до белого каления с желтоватым оттенком. Нагретые заготовки очищают от шлака и окалины и укладывают на наковальню скошенными поверхностями друг к другу. Выполнив это, сначала слабыми, а затем, после того как заготовки соединятся, сильными и быстрыми ударами молота проковывают наложенные друг на друга концы заготовок.
      Для сварки «в замок» или «вразруб» один из концов заостряют на клин, а другой разрубают. После нагрева до сварочной температуры и очистки от окалины и шлака заостренный конец вставляют в разрубленный и проковывают место сварки. При сварке встык нагретые концы заготовок соединяют усилием, направленным вдоль оси заготовок.
      При ковке обрабатываемую заготовку приходится устанавливать, поворачивать, удерживать на бойке молота, а потом убирать готовую деталь. Кто же это делает? Бригада кузнецов с помощью нехитрых приспособлений и инструментов (ломов и клещей) может управляться с поковками массой до нескольких сотен килограммов. Это можно сравнить с трудным поединком людей с раскаленным металлом. Действовать надо дружно, сноровисто, точно повинуясь командным жестам бригадира, внимательно следя за ударами бойка
      Основные операции ковки и используемый инструмент. Прошивка сплошным и полым прошивнем (а), сварка внахлестку и вразруб (б):
      1 — верхний боек; 2 — заготовка; 3 — прошивень; 4 — нижний боек
      молота. Тяжелый слиток пышет жаром, не подпускает людей близко к себе. Недаром работа кузнеца всегда считалась одной из самых тяжелых, требующей недюжинной силы и выносливости.
      Если же масса слитка превышат 1 тонну, то вручную с ним «не совладать». Тут нужны машины. Первоначально использовали подъемные краны с разными приспособлениями — цепями, захватами. Такая техника требовала немало мастерства кузнецов и их подручных, условия труда оставались очень тяжелыми. Следующим этапом в механизации кузнечного производства стало применение манипуляторов — самоходных машин с механической рукой. Захватив нагретую заготовку из печи, манипулятор подвозит ее к прессу и устанавливает на нижний боек. При ковке машинист манипулятора выполняет все необходимые операции. Здесь все зависит от его опыта, профессиональных навыков.
      Современный манипулятор — это робот, действующий по команде ЭВМ. Он совершает все операции в автоматическом режиме, точно согласованном с действиями самого молота или пресса. Другими словами, манипулятор и молот представляют собой единый роботоизированный комплекс.
      Следующий шаг — объединение отдельных комплексов в автоматизированные линии. Эти линии должны состоять из ряда модулей, выполняющих несколько различных операций. Модули, как кубики, можно будет собирать в линий и участки, которые легко переналаживаются на новую продукцию.
      При разработке технологического процесса ковки какой-либо детали определяют необходимые операции и их последовательность. Чем сложнее форма поковки, тем больше операций, тем длиннее технологическая Цепочка. После того как составлен чертеж поковки, определены ее масса и размеры, выбран металл и тепловой режим обработки, решают, на каком оборудовании целесообразно проводить ковку.
      К настоящему времени создан громадный парк кузнечных машин, основу их составляют молоты и прессы. Чтобы понять принцип действия современного молота, рассмотрим устройство первого парового молота. Его изобрел в Г837 г. английский инженер Нейсмит. В верхней части станины молота вертикально установлен цилиндр паровой машины, перемещающийся в цилиндре поршень своим штоком соединен с массивной деталью,, называемой «бабой». К нижнему торцу «бабы» прикрепляется сам деформирующий инструмент — боек. При подаче пара в нижнюю часть цилиндра под поршень происходит его подъем вместе оо штоком и закрепленной на нем «бабой» с бойком. Затем пар выпускают в атмосферу, а падающие части (поршень, шток и «баба» с бойком) под действием собственной массы устремляются вниз. Таким образом, в данной конструкции энергия пара используется только для подъема падающих частей молота, такой молот называют молотом простого действия
      Более совершенна конструкция молотов двойного действия, которая применяется и в наше время. Суть ее состоит в том, что пар попеременно действует то на нижнюю поверхность поршня, заставляя его поднимать Шток с «бабой», то на верхнюю поверхность, придавая падающим частям повышенную скорость движения вниз и тем самым увеличивая мощность и производительность молота.
      В первых конструкциях парораспределительное устройство было ручным, затем для впуска й выпуска пара стали применять золотники (клапаны). Со временем были изобретены надежные системы парораспределения, работающие в автоматическом режиме.
      Вот уже 150 лет паровой молот — надежная и простая в управлении машина — исправно несет свою службу, теперь молот применяют в основном при мелкосерийном производстве, в ремонтных мастерских. Современный молот может работать на двух энергоносителях — паре, получаемом от котельной установки, и сжатом воздухе, подводимом от компрессорной станции. Поэтому его называют паровоздушным.
     
      В кузнечном цехе конца XIX века
      При производстве мелких и средних поковок применяют пневматические молоты. Основную часть молота составляют два цилиндра: рабочий и комярессорный. Поршень компрессорного цилиндра приводится в движение через кривошипно-шатунный механизм от электродвигателя и нагнетает сжатый воздух в нижнюю полость рабочего цилиндра, при этом поршень рабочего цилинд ра двигается вверх, увлекая за собой «бабу» с бойком.
      В результате боек молота совершает возвратно-поступательное движение, нанося удары по заготовке, удерживаемой на нижнем бойке. С помощью воздухораспределительного механизма можно изменять режим работы молота: регулировать силу ударананосить единичные или быстрые последовательные удары, прижимать заготовку к нижнему бойку.
      В настоящее время используют только молоты с мае сой падающих частей до одной тонны, ,в конце же прошлого и начале настоящего века масса ударных частей достигала 50 тонн. Чем же вызвно такое «отступление»? Все дело в том, что применение тяжелых молотов всегда было связано с большими трудностями: для них требовались колоссальные фундаменты, масса молота достигала многих сотен тонн, ударные нагрузки приводили к очень тяжелым условиям труда, Для примера приведем характеристику парового молота с массой ударных частей 20 тонн.
      Высота такого молота над уровнем пола составляла 8 метрЪв, высота фундамента 12 метров, общая масса молота 630 тонн. Коффициент полезного действия такого гиганта составлял менее трех процентов, недаром его называли «пожирателем энергии».
      В настоящее время для ковки крупных и особо крупных изделий применяют гидравлические прессы, развивающие усилия до нескольких сотен меганьютонов1. Принцип действия гидравлического пресса основан на законе Паскаля, согласно которому давление, производимое на жидкость внешними силами, передается ею по всем направлениям одинаково. Поэтому если два сообщающихся сосуда разного диаметра наполнить жидкостью и поместить в них два поршня, то небольшое усилие йа поршень меньшего диаметра создаст большее усилие на поршень большего диаметра. В гидравлическом прессе одним из сообщающихся сосудов является рабочий цилиндр пресса, в котором перемещается поршень (плунжер), связанный с верхним бойком. Второй сосуд — цилиндр гидронасоса с поршнем, площадь сечения которого значительно меньше площади сечения плунжера рабочего цилиндра. При движении плунжера гидронасоса, площадь сечения которого равна Fi, в цилиндре насоса создается давление Л. В рабочем же цилиндре с площадь (Сечения Fz давление жидкости многократно возрастет ц составит величину p2=PiF2IFi.
      В мощных прессах устанавливают по два и более рабочих цилиндра. Приводя в действие только один, два или все цилиндры, можно регулировать усилие ковки. Гидравлические прессы — это сложные агрегаты, оснащенные передвижными столами для смены инструмента ц манипуляторами для подачи и кантовки многотонной заготовки, Чем мощнее пресстем он тихоходнее; например, пресс, развивающий усилие 5 МН, может совершать более 20 ходов в минуту, а пресс усилием 50 МН — только 5 — 8 ходов. Однако такие скорости вполне удовлетворяют требованиям технологии ковки крупных и «неповоротливых» .изделий. В отличие от молотов гидравлические прессы работают почти бесшумно, условия труда бригады, обслуживающей пресс, значительно лучше. И такой «спокойный» агрегат способен ковать детали массой 300, 500 и более тонн. Для сравнения: стадо слонов имеет такую же массу.
     
      Сотни единиц в минуту
      Вы, наверное, обратили внимание на то, что в предыдущей главе книги появился новый термин «кузнечно-щтамповочный», он относится к оборудованию, технологии, организации производства. Что же общего межд процессами ковки и штамповки? Прежде всего общий характер формообразования детали под действием удара молота или нажатия пресса. Оборудование для ковки и штамповки очень близко по конструкции, некоторые типы молотов и прессов позволяют осуществлять обе эти операции.
      Недавно существовал термин «свободная ковка» — это ковка в плоских бойках, когда течение металла ограничивалось только поверхностями бойков — свободное течение. Если же бойки имели не плоские, а выпуклые или вогнутые поверхности, то процесс называли ковкой в вырезных бойках. В этом случае течение в поперечном направлении частично ограничивается. В настоящее время независимо от формы бойков процесс называют просто ковкой.
      В чем же отличие ковки от штамповки? Ковка — процесс универсальный, из одной и той же заготовки, пй одних и тех же байках можно откопать детали различной формы и размеров. Штамповка же — процесс специализированный, штамп имеет форму одной определенной детали. Форма эта так же, как и размеры детали, будет? точно соответствовать чертежу. Таким образом, для изготовления каждой детали требуется свой штамп, а ино-гда и набор штампов. Принимая во внимание трудоемкость изготовления штампов, их высокую стоимость, легко сделать вывод — штамповка оправдывает себя только при серийном производстве данной детали. А в настоя щее время это основной вид производства, поэтому штамповкой изготавливают большинство деталей автомоби лей, самолетов, тракторов и всех других «многотираж ных» машин, аппаратов, конструкций. Методами штамповки (в горячем и холодном состоянии) получают ин-струменты, болты, гайки, скобяные изделия и так далее
      Что же происходит с металлом при штамповке? Какидгё образом он принимает заданные форму и размеры? Деформирование металла происходит в ограниченной стен ками штампа полости, которую называют ручьем штам па. Внешнее давление, вызванное ударом молота илИ нажатием пресса, заставляет металл заполнять ручей штампа, при этом его стенки оказывают сопротивление? теченииметалла. Это сопротивление может оказаться столь высоким, что не позволит металлу полностью за--полнить ручей штампа. Поэтому детали сложной формь? получают в многоручьевых штампах. Благодаря этому заготовка постепенно (от ручья к ручью) принимает фор му готовой детали, происходит последовательное перераспределение металла по объему заготовки. Сложную? деталь можно отштамповать и в одноручьевом штампе? при условии применения заготовки, форма которой пред-варительно приближена к форме детали на каком-либо другом оборудовании.
      Существуют две разновидности штампов и соответ ственно два процесса штамповки. Если в течение всего цикла штамповки между верхним и нижним штампами имеется свободная полость, в которую может затекать металл, то такой штамп называют открытым. Шамповка в открытых штампах сопровождается образованием вокруг детали заусенца (облоя) и называется облойной штамповкой. Облойная канавка препятствует истечению металла из штампа в зазор и заставляет его заполнять объем ручья. Кроме того, в облойнуюканавку вытесняют. ся все излишки металла, которые остались после заполнения полости штампа, Облойная канавка состоит из мостика и магазина. Основное назначение мастика — препятствовать течению металла из штампа. Магазин служит для размещения вытесненного металла. Наличие об-лойной канавки гарантирует хорошее заполнение ручья штампа. И только один недостаток есть у облойной штамповки — повышенный расход металла на образование облоя.
      Этого недостатка лишена штамповка в закрытых штампах, или безоблойная штамповка. Безоблойные штампы остаются закрытыми в .течение всего процесса штамповки и не дают металлу возможности вытекать из них. Весь металл заготовки полностью переходит в готовую деталь. Кроме того, отпадает необходимость в операции обрезки облоя. Преимущества безоблойной штамповки налицо. Однако и у нее есть свои недостатки: необходимость точно выдерживать массу заготовки, тщательно центрировать ее при установке в щ&мпе. Превышение массы заготовки приведет к тому, что штампы не сомкнутся полностью и деталь будет недоштам-пована, а ее занижение — к неполному заполнению штампа; и то, н другое — брак.
      Таким образом, без-облойная штамповка требует высокой культуры производства.
      Операции штамповки так же, как и операции ковки, осуществляют на молотах и прессах. Большие скорости деформирования при штамповке на молотах способствуют хорошему заполнению ручьев штампов металлом. Однако ударный характер нагрузок вызывает частые разладки штампов, а следовательно, простои оборудования. Кроме того, работа молотов вызывает сильный шум, вибрацию, затрудняет автоматизацию процесса штамповки. Все это ограничивает применение штамповки на молотах.
      В современных штамповочных цехах широкое применение находят кривошипные прессы, которые оснащены автоматизированными устройствами для подачи заготовки в штамп и выдачи готовой детали.
      Своеобразие штамповки заключается в том, что величина хода бойка пресса постоянна и жестко задается кривошипно-шатунным механизмом пресса. Мощность кривошипных прессов позволяет производить детали небольшого и среднего размеров. Если требуется отштамповать более тяжелую поковку, то используют гидравлические прессы мощностью до нескольких сотен мега-ньютонов, способные обрабатывать заготовки массой в несколько тонн. Широко применяют гидравлические прессы для штамповки особо крупных деталей из легких сплавов (ребристых панелей, стабилизаторов), деталей из труднодеформируемых металлов.
      А вот для массового производства таких сравнительно простых, но очень необходимых деталей, как болты, заклепки, сплошные и полые стержни с различными выступами и фланцами, создано высокопроизводительное и полностью автоматизированное оборудование — горизонтально-ковочные машины. Это тоже кривошипный пресс с двумя горизонтально расположенными ползунами: главным (на котором закреплен пуансон) и зажимным (с разъемными штампами). Заготовка в виде прутка или трубы вставляется в ручей неподвижного штампа, зажимный ползун перемещает подвижный штамп и совмещает его с неподвижным, заготовка при этом зажимается. Затем начинает перемещаться главный ползун, пуансон которого ударяет в торец заготовки и деформирует ее. После этого главный ползун с пуансоном возвращается в исходное положение, штампы размыкаются и освобождают отштампованную деталь. Один рабочий цикл заканчивается и начинается следующий. Для штамповки деталей сложной формы применяют многоручьевые штампы; заготовка последовательно деформируется в каждом ручье.
      Для изготовления крепежных деталей небольших размеров (винтов, шурупов, гвоздей, заклепок), шариков, роликов, колпачков применяют штамповку в холодном состоянии на автоматах, работающих ,по принципу горизонтально-ковочных машин. Заготовкой служит пруток диаметром 0,6 — 40 миллиметров из стали или цветных металлов. Производительность автомата доходит до 25 тысяч изделий в час.
      Сложные детали обрабатывают на нескольких кузнечно-прессовых машинах. Каждая из них выполняет определенную операцию. Передача заготовки от одной машины к другой осуществляется с помощью манипуляторов. Вот, например, что представляет собой автоматическая линия с электронным программным управлением для производства коленчатых вйло,в автомобилей. Нагретая в печи заготовка квадратного сечения поступает в ковочные вальцы. Это машина, в которой воедино слились два процесса — прокатка и ковка. На двух постоянно вращающихся в противоположных направлефях валках закреплены секторные штампы. Когда штампы расходятся, в образовавшийся зазор подают заготовку так, чтобы она доходила до упора, установленного на выходе из валков. При сближении штампов заготовка обжимается — проковывается и, принимая заданную фррму, выталкивается валками. Так получают различные фасонные заготовки для дальнейшей штамповки на молотах и прессах. В данном случае в ковочных вальцах заготовке придаются цилиндрическая форма и нужный диаметр.
      Затем следует обработка на штамповочном прессе: за несколько переходов заготовке придается форма коленчатого вала. При этом передача заготовки от одного ручья штампа в другой осуществляется автоматически с помощью манипулятора. На обрезном прессе с заготовки удаляют облой, а на следующем прессе (выкрутном) производят разворот (выкрутку) элементов коленчатого вала на заданный угол. Заключительная операция — придание коленчатому валу точной формы на калибровочном прессе.
      Все выше описанные способы штамповки называют еще «объемной штамповкой», так как пластическая деформация охватывает весь объем металла.
      Ковочные вальцы: а — исходное положение; б — конец рабочего хода; 1 — штамп; 2 — упор; 8 — валок; 4 — заготовка
      В сельскохозяйственном и транспортном машиностроении, приборостроении, в авиационной промышленности, производстве товаров широкого потребления большое распространение находят детали, получаемые из листового металла с помощью штамповки. Листовая штамповка обеспечивает высокую точность формы и размеров деталей, хорошее качество поверхности. Это позволяет использовать штампованные детали без последующих отделочных операций.
      Листовой штамповке подвергают все пластически деформируемые металлы и сплавы в виде лент, полос, листов. Этот процесс широко используют и для получения деталей из различных неметаллических материалов (пластмасс, картона и т. п.).
      Обычно штамповку проводят в холодном состоянии и только при деформации толстых листов и малопластичных сплавов металл нагревают. Получаемые листовой штамповкой детали отличаются большим разнообразиемформ и размеров, поэтому процесс осуществляется с помощью большого числа операций, Их можно объединить-в три группы: разделительные, формоизменяющие, прессовочные.
      С помощью разделительных операций (вырезки, обрезки, пробивки, высечки) из листа или ленты получают исходную заготовку, а также отделяют одну часть заготовки от другой. Учитывая большой объем производимых штамповкой изделий; очень важно вести раскрой исходной полосы с минимальными потерями металла.
      Формоизменяющие операции обеспечивают получение из плоской заготовки детали нужной формы и размеров. К этим операциям относятся: гибка, вытяжка, от-бортовка. Гибка — наиболее простая формоизменяющая операция, которая может быть как вспомогательной, так и основной при изготовлении гнутых деталей
      Вытяжкой называют процесс превращения плоской заготовки в полое изделие. С помощью вытяжки получают и кузова автомобилей, и посуду, и многое другое. Вытяжку можно проводить так, что толщина стенки получаемой детали будет равна толщине исходного листа (вытяжка без утонения), или с утонением стенки детали. Вытяжку без утонения применяют для получения глубоких сосудов из тонколистового металла: заготовку укладывают на матрицу, пуансон при движении затягивает заготовку в отверстие матрицы, формируя полость. Закругление грани матрицы обеспечивает плавность превращения заготовки в колпачок. Если требуется получить деталь с очень большой глубиной, то операции вытяжки повторяют несколько раз, проводя между ними термическую обработку заготовки (отжиг) для снятия наклепа.
      Утонение стенки при вытяжке достигается в результате проталкивания заготовки через матрицу с отверстием конической формы. Зазор между пуансоном и матрицей меньше, чем толщина стенки исходной заготовки, поэтому и происходит утонение стенки колпачка. Процесс вытяжки с утонением аналогичен процессу волочения трубы на оправке.
      При отбортовке пуансон отгибает краевые участки заготовки с предварительно пробитым отверстием, образуя борт или фланец. Диаметр отверстия в заготовке при этом увеличивается.
      Примером штамповочной операции является чеканка: заготовка зажимается между двумя штампами, на которых выгравирован нужный рельеф. Металл заготовки заполняет все углубления на поверхностях штампов — рельеф переносится на деталь. Так изготавливают монеты, значки, медали, наносят рисунок на художественные изделия из металла, предметы широкого потребления. Часто чеканку производят одновременно с другими операциями (вытяжкой, гибкой).
      Листовую штамповку осуществляют на кривошипных и гидравлических прессах, конструкции которых аналогичны прессам для объемной штамповки. Современные штамповочные цехи полностью механизированы и автоматизированы, их производительность исчисляется десятками и сотнями тысяч деталей в смену.
     
      Деталь, которая нужна везде
      Одна из самых распространенных деталей машин — шитые пружины. В легковом автомобиле используют более ста различных видов пружин. Назначение их весьма разнообразно: амортизаторы, компенсаторы, аккумуляторы энергии, фиксаторы, натяжные возвратные устройства, упругие звенья силовых передач, регуляторы усилия и так далее. Пружины работают на растяжение, сжатие, кручение, то есть почти на все виды нагрузок.
      Разнообразны и формы пружин: цилиндрические, конические, фасонные. Один виток пружины — это тоже самостоятельная деталь, называемая пружинной шайбой. Юна служит для стопорения резьбовых соединений и с ней знаком каждый велосипедист.
      Познакомимся с процессом изготовления пружины. Все пружины делают с помощью навивки проволоки в горячем или холодном состоянии, К материалу пружин предъявляют жесткие требования, ведь они работают в динамических условиях, нередко при повышенных температурах и в агрессивных средах. Пружины должны обладать высокой выносливостью, упругостью и прочно, стью. Таким требованиям отвечает упрочненная проволока из пружинных сталей в состав которых, кроме железа и углерода, входят марганец, кремний, хром, вана-ций, медь, никель, алюминий.
      Навивку пружин осуществляют на оправку (при этом проволока подвергается растяжению и изгибу) или с помощью подающих роликов на упорные штифты (при этом проволока подвергается сжатию и изгибу). Наиболее простой способ — навивка на вращающуюся оправку. Если витки пружины должны иметь развод, то есть некоторый зазор между собой, то навивку проводят со смещением оправки вдоль оси или же соответствующим смещением направляющей втулки, которая подает проволоку. Обеспечивая при навивке на оправку скручивание проволоки в направлении к навитой части, получают пружину с межвитковым давлением (предварительной нагрузкой).
      Большое распространение получили способы навивки по схеме сжатие + изгиб. С помощью подающих роликов проволоку задают в паз направляющей планки, упорный штифт или ролик перегибает проволоку через неподвижную оправку. Шаг пружины (расстояние между витками) можно изменять с помощью шагового клина и лапки, которые разводят витки на заданное расстояние.
      Очень перспективно применение станков, позволяющих получать пружины разных конструкций. Работа таких автоматов основана на принципе непрерывного отгиба проволоки в любом заданном направлении. Через направляющую планку проволока подается в зону изгиба. Система кулачков и опор поочередно в автоматическом режиме подает в зону изгиба различные инструменты. Например, в первом цикле обработки формуется первое ушко пружины, затем навивается спираль, отгибается второе ушко и, наконец, отрезается готовая пружина. В минуту такой автомат способен выдать до ста пружин.
     
      И заготовка, и изделие
      Когда Эдисона, демонстрировавшего на Всемирной Парижской выставке свой фонограф, спросили, что более всего поразило его на выставке, он ответил — бесшовные трубы. Не правда ли, странный ответ? Что может быть проще и привычнее этого распространенного изделия. Известны металлические трубы очень давно, Их применяли в водостоках египетских храмов, в мощной системе водоснабжения Древнего Рима. А во времена Эдисона трубы прочно вошли в жизнь города: водопроводы, канализационные системы, газопровод для освещения улиц и домов. Везде использовали трубы, изготовленные из листа и соединенные по шву пайкой или кузнечной сваркой. Еще делали литые толстостенные трубы из чугуна. Все это были низкопрочные трубы, они не годились для паровых котлов высокого давления, мощных водопроводов и других ответственных сооружений и машин. Требовались цельные стальные трубы. Их впервые и увидел знаменитый изобретатель. Удивление его можно понять. В самом деле, как из сплошной стальной заготовки сделать трубу? Не трубочку (ее можно получить сверлением в заготовке сквозного отверстия), а трубу диаметром полметра и длиной десять метров. Не огорчайтесь, если не найдете ответа. Бесшовные трубы делают весьма своеобразным способом. Его предложили немецкие изобретатели отец и сыновья Маннесманы. Ими был сконструирован прокатный стан, в котором цилиндрическая заготовка пропускается между конусообразными валками, которые вращаются в одном направлении. Вследствие сил трения между валками и заготовкой последняя начинает вращаться между валками, одновременно продвигаясь вперед. Таким образом, заготовка как-бы ввинчивается в пространство между валками. Металл заготовки скручивается и вытягивается, а в осевой зоне происходит его разрыхление — возникает полость. Если между валками установить стержень, то заготовка будет надеваться на него, как чулок. Стержень, его еще называют оправкой, придает образовавшейся полости правильное круглое сечение и гладкую поверхность. Способ винтовой прокатки (так его позже назвали) стал основным при производстве высокопрочных стальных труб.
      Пророческими оказались и слова, сказанные инженером Л. А. Бишлягером в его сообщении Императорскому Русскому Техническому обществу: «Относительно же самого изобретения можно сказать лишь, что оно в машиностроении составит новую эпоху и даст возможность осуществить на деле многб таких задач, решение которых казалось до сих пор мечтою».
      Процесс получения бесшовных труб долгие годы был окружен ореолом таинственности. Это было одно из рукотворных чудес XIX века. Еще сравнительно недавно в энциклопедическом словаре русского библиографического института «Гранат» можно было прочитать: «Трубы небольших диаметров делаются цельнотянутыми, из цельной раскаленной болванки, при помощи особых процессов, составляющих до сих пор весьма ревниво оберегаемый секрет немногих заводов».
      Мы же откроем секрет и Вы узнаете, как производят бесшовные и сварные трубы.
      Процесс получения бесшовных труб предусматривает две основные стадии: изготовление толстостенной цилиндрической полой заготовки (гильзы) из сплошной заготовки или слитка; получение из гильзы трубы нужного диаметра с заданной толщиной стенки.
      Для получения отверстия существуют два способа: прошивка заготовки или слитка на стане винтовой прокатки и прошивка на прессе. С принципом прошивки на стане Вы уже познакомились.
      Прошивку на прессе осуществляют следующим образом. Слиток, круглую или квадратную заготовку нагревают в печи, а затем помещают в контейнер пресса, имеющий съемное дно (заглушку). Затем приводят в движение плунжер рабочего цилиндра пресса, и пуансон, внедряясь в заготовку, прошивает ее насквозь или оставляет донышко, в результате получается гильз а-стакан. Выталкивающее устройство выдает полученную заготовку из контейнера. Затем у гильзы-стакана обрезают донышко и получают просто гильзу.
      Полученная на стане или прессе гильза (трубная заготовка) поступает к следующему агрегату, на котором ее раскатывают в готовую трубу с нужной толщиной стенки. Эту операцию в зависимости от размеров и назначения труб осуществляют на различных трубопрокатных агрегатах. Один из них — автоматический стан, он весьма прост по конструкции и состоит из одной клети с двумя валками, на которых выточены несколько круглых калибров. Гильзу задают в первый калибр, по центру которого расположена оправка. Между поверхностями калибра и оправки создается кольцевой зазор. Валки обжимают гильзу, уменьшая ее наружный диаметр и толщину стенки. Оправка формирует внутреннюю поверхность трубы н служит опорой, на которой валки раскатывают заготовку. После прокатки в первом калибре заготовку передают во второй (меньшего диаметра) и прокатывают еще раз и так до придания трубе заданных размеров.
      Стремление к непрерывности процесса, обеспечению его полной автоматизации привело к созданию стана непрерывной прокатки труб. Он состоит из нескольких последовательно расположенных клетей, в каждой из которых установлено по два валка с одним круглым калибром. От клети к клети диаметр калибра уменьшается до диаметра готовой трубы. В гильзу вводят длинную цилиндрическую оправку и задают их в валки первой клети. Далее заготовка прокатывается одновременно во всех клетях.
      Один из наиболее сложных и своеобразных процессов получения труб — пилигримовая прокатка. Она заключается в периодической обработке отдельных кольцевых участков гильзы. Пилигримовый стан имеет два валка, на которых выточены ручьи переменного профиля, образующие круглый калибр. При вращении валков диаметркалибра сначала постепенно уменьшается, а затем делается больше, чем диаметр прокатываемой трубыЦикл прокатки состоит из двух периодов — рабочего-и холостого. Во время рабочего периода гильза, в которую введена длинная оправка, захватывается валками и обжимается в постепенно суживающемся калибре додиаметра готовой трубы. Затем начинается холостой период, при котором диаметр калибра превышает диаметр трубы, в результате чего труба выходит из контакта с валками — деформация данного участка заканчивается. Таким образом, во время рабочего периода валки как бы отжимают кольцевой слой металла гильзы и скатывают его до заданной толщины.
      Во время холостого периода гильза продвигается вперед и поворачивается вокруг своей оси на 90° (для более равномерной обработки). Цикл прокатки повторяется, и следующий кольцевой участок гильзы подвергается деформации. Надо отметить, что во время холостого периода направление вращения валков противоположно направлению продвижения гильзы, а во время рабочего периода направления вращения валков и перемещения гильзы совпадают, то есть гильза совершает возвратнопоступательное движение: два шага вперед, один назад. Таким неторопливым способом когда-то странствовали пилигримы, отсюда и название этого способа прокатки труб.
      -Способ довольно сложный, но зато он позволяет получать особотолстостенные и профильные трубы (квадратные, шестигранные, конические, ступенчатые) при соответствующей калибровке валков. На пилигримовом стане можно прокатывать гильзу, полученную непосредственно из слитка, а не катаную или кованую заготовку, как при других способах производства бесшовных труб. Все это в сочетании с высокой степенью механизации и автоматизации процесса делает пилигримовую прокатку экономичной, нашедшей широкое применение при производстве высококачественных труб.
      И, наконец, егце-один трубопрокатный стан — раскатной, Это стан винтовой прокатки с тремя валками, расположенными соответственно вершинам равностороннего треугольника, то есть через 120° относительно друг друга. Все валки вращаются в одну сторону, их оси наклонены к оси прокатки как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях. Это обеспечивает вращательно-поступательное движение гильзы, как и при прокатке на прошивных двухвалковых станах. Гильзу с введенной в нее длинной оправкой пропускают через валки стана. При прокатке происходит значительное уменьшение наружного диаметра и толщины стенки гильзы. Рйскатные станы позволяют получать трубы с повышенной точностью, которые идут на изготовление трубчатыК деталей с минимальным расходом металла на механическую обработку. Например, они служат заготовкой для получения колец подшипников качения.
      Возьмите лист бумаги, сверните его в трубочку, а кромки склейте. Вот и все, «сварная прямошовиая труба» готова. Просто и недорого — именно эти преимущества и отличают производство сварных труб, И еще одно очень важное обстоятельство. Получить бесшовную трубу большого диаметра очень трудно и весьма дорого. Представьте, какой слиток потребуется для изготовления трубы диаметром два метра и какой мощности должно быть оборудование для раскатки такого слитка.
      Теперь вырежем из бумаги узкую полосу (ленту) и свернем ее спиралью в трубку. Легко убедиться, что, изменяя угол сворачивания, можно из ленты одной ширины получить трубу любого диаметра. Так производят спиральношовные трубы большого диаметра.
      Все современные способы производства сварных труб предусматривают две основные операции: формовку (сворачивание) полосы в круглую трубную заготовку и сварку шва. В зависимости от размеров и назначение труб, применяемого способа сварки используют различные способы формовки. При производстве прямошовных , труб малого и среднего диаметра (от 6 до 500 миллиметров) основным способом является непрерывное сворачивание полосы в валках формовочного стана. Полоса проходит через ряд последовательно расположенных клетей с чередующимися горизонтальными и вертикальными валками. Пары горизонтальных валков образуют щелевые калибры, форма которых постепенно от клети к клета изменяется от почти плоской до круглой. Таким образом, горизонтальные валки формуют полосу в цилиндрическую трубную заготовку, а вертикальные предотвращают распружинивание сформованной заготовки на участках между соседними формующими клетями.
      В производстве труб диаметром 400 — 1420 миллиметров и более большое распространение получила непрерывная формовка трубной заготовки с помощью свертывания рулонной полосы под углом с одновременным наложением спирального сварного шва. Полоса заталкивается в цилиндрическую втулку, скользит по ее внутренней поверхности и, изгибаясь, принимает круглую форму (наружный диаметр трубы при этом равен внутреннему диаметру втулки).
      Итак, трубная заготовка сформована, остается сварить ее по шву. Самый старый из сохранившихся до наших дней способов сварки — печной. Он называется так потому, что исходную полосу перед формовкой и сваркой дагревают в печи. Нагретая до температуры сварки подоса непрерывно формуется в трубную заготовку на формовочно-сварочном стане, после чего сжимаемые под высоким давлением кромки свариваются. Исходным материалом служит полоса, свернутая в рулон. С разма-тывателя полоса поступает в стыкосварочную машину, д затем в накопитель (петлеобразователь), служащий для создания запаса полосы, обеспечения сварки конца Предыдущего рулона с началом последующего и позволяющийвести процесс формовки и сварки непрерывно.
      Бесконечная полоса проходит через печь, где ее кромки нагреваются до температуры сварки. Затем нагретая полоса поступает в формовочные валки, где она сворачивается в трубную заготовку, сварка кромок происходит во второй паре валков, которые с большим давлением сжимают кромки. Высокие температура и давление обеспечивают условия для прочной сварки кромок. Для соединения кромок трубной заготовки широко применяют также электросварку.
      В двигателях автомобилей, тракторов, комбайнов большое применение находят двухслойные трубы, получаемые методом сворачивания полосы в трубную загстовку и ее последующей пайки. Такие трубы хорошо поддаются обработке — гибке, разбортовке, пайке и поэтому из них изготавливают топливои маслопроводы для различных машин. Технология производства свертных паяных труб заключается в следующем. Стальная полоса подвергается омеднению (электролитическому покрь-тию слоем меди). Омедненная полоса поступает на непрерывный формовочный стан, где сворачивается й двухслойную трубную заготовку. Выходящую из стан а сформованную заготовку передают в электрическую печь. Температура нагрева трубной заготовки несколько превышает температуру плавления меди, поэтому происходит ее расплавление и при последующем охлаждения спайка стальных слоев заготовки медной прослойкойПосле этого трубу подвергают волочению или прокатке на оправке, в результате слои уплотняются и обеспечивается высокая точность размеров трубы.
      Прокатка труб в горячем состоянии в ряде случаев не позволяет удовлетворить требования к точности размеров и качеству поверхности труб. Кроме того, горячей прокаткой не Удается получать трубы малого диаметра
      Для изготовления качественных труб Повышенной точности применяют обработку в холодном состоянии. ХотЯ этот процесс требует больших затрат энергии по сравнению с обработкой в горячем состоянии (холодный металл обрабатывать труднее), однако только холодная деформация может обеспечить высокую точность размеров и качество поверхности, особенно при получении труб малого диаметра. Холодной обработке (прокатке и волочению) подвергают как бесшовные, так н электросвар-ные трубы.
      Холодную прокатку труб производят следующим образом. Трубу-заготовку, внутри которой находится неподвижная коническая оправка, вводят в калибр, имеющий переменный диаметр. Начальный диаметр калибра (в заднем положении клети) соответствует диаметру трубы-заготовки, а конечный (при переднем положений клети) — диаметру готовой трубы. Рабочие валки установлены в клети, совершающей при помощи кривошипно-шатунного механизма возвратно-поступательное движение по рельсам на катках. В процессе прокатки оба валка получают синхронное вращательное движение.
      При перемещений клети происходит раскатка кольцевого участка трубы в постепенно суживающемся калибре. По окончании цикла прокатки валки выходят иэ соприкосновения с металлом, заготовку с помощью специального устройства поворачивают вокруг оси и одновременно подают вперед. Затем клеть возвращается в исходное положение и рабочий цикл повторяется.
     
      Трубы могут иметь самую разную форму сечения
      На станах холодной прокатки можно получать трубы переменного сечения, перемещая коническую оправку П зоне деформации, В результате происходит изменение кольцевого зазора между оправкой и поверхностью калибра валков и соответственно изменение толщины стенки трубы. Таким образом можно получать трубы со ступенчато изменяющимся диаметром или конические трубы. Один из примеров конических труб — лыжные палки.
      В настоящее время трубы производят из металлов И сплавов всех марок, полимеров, керамики, стекла, композиционных и других материалов. Размеры и форма труб и трубчатых изделий также отличаются болыииразнообразием. Диаметр капиллярных труб для медицины составляет доли миллиметра, труб для магистральных газопроводов 1420 миллиметров и это не предел для современных трубных агрегатов. Есть трубы простой формы (круглые, квадратные, прямоугольные), а есть и овальные, каплевидные, ступенчатые, ребристые...
      Труба представляет собой готовый строительный эле-мент, обладающий значительной несущей способностью1 и очень высоким сопротивлением скручиванию. Обычно трубу, применяемую как элемент конструкции, называют полым профилем. В строительстве полые профили используют как самостоятельные элементы в виде мачтопор, колонн, пилонов, а также в качестве составных эле-ментов несущих конструкций (различные балки, опорные устройства, перекрытия и т.п.). Широко используй ют трубы при строительстве мостов.
      1 Применяют полые трубчатые элементы при строительстве сооружений временного пользования — разборных конструкций строительных лесов, подпорок, трибунстеллажей, перил.
     
      Любой формы и длины
      Изделия небольшого сечения и большой длины (про-волоку, прутки, трубы малого диаметра и с тонкой стенкой) получают волочением. Используют волочение и для обработки изделий с относительно большим сечением для повышения точности размеров и улучшения качества поверхности изделия. Такую обработку называют ка-либровкой. Чтобы лучше понять суть волочения, его осабенности, технику процесса, обратимся к истории.
      Раскопки археологов на территории Древнего Египту и Мессопотамии позволили обнаружить наряду с отно-сительно крупными металлическими изделиями (топорами, ножами, наконечниками копий) и весьма изящные украшения и инструменты — проволочные браслеты, булавки, иглы. Позднее у древних народов получили распространение шитые золотом и серебром одежды, для которых требовалась проволока диаметром в доли миллиметра. Однако проволока служила не только для изготовления украшений и мелкого инструмента. В Ассирий (VIII век до нашей эры) и Помпее (V век до нашей эры) были найдены бронзовые тросы, скрученные из 20 — 45 проволок. Такие тросы, вероятно, применяли в строительных работах для поднятия и перемещения тяжестей.
      Вначале проволоку изготавливали ковкой. Брусом металла многократно проковывали, уменьшая при этой его сечение и увеличивая длину. Так можно было получить только толстую, грубо обработанную проволокуСуществовал и другой способ: лист металла (полученный ковкой) разрезали на узкие полоски, а затем грани ролосок округляли с помощью той же ковки. В результате получали более тонкую проволоку. Трудоемкость этих способов побудила человека к поискам более соверщенных методов получения проволоки, потребность в которой все более возрастала. Изготовленную ковкой проволоку стали подвергать отделочной обработке для сглаживания неровностей поверхности проволоки и придания ей равномерной толщины. Для этого проволоку протаскивали через круглые отверстия в досках из твердых ма, териалов (камня, бронзы). Надо отметить, что к этому времени операция сверления отверстий в камне и метал-Л ах была хорошо освоена. Так зарождался новый способ обработки металлов — волочение, пришедшее на помощь ковке. Постепенно из отделочной операции волочение Превратилось в самостоятельный способ обработки при Производстве проволоки. Основным волочильным инструментом была доска с просверленными в ней отверстиями различного диаметра. Последовательно протаскивая Заготовку через несколько отверстий с уменьшающимся диаметром, получали проволоку нужного размера. Качество проволоки существенно зависело от тщательности обработки канала отверстия в волочильной доске. Со временем на смену доскам из камня и бронзы пришли более долговечные доски из железа, отверстия в них подучали следующим образом. Нагретую в горне доску укладывали на наковальню и с помощью заостроенного железного стержня-пробойника и молота пробивали отверстие. Затем полученное грубое отверстие рассверливали до нужного диаметра, канал отверстия шлифовали.
      Примерно до X века нашей эры главными потребителями и изготовителями проволоки из меди, серебра, золота и их сплавов были мастера-ювелиры. Из проволоки делали золотошвейную пряжу и канитель — тонкие спирали, которые использовали для вышивания одежд, парчи. В XI — XIII веках волочение становится самостоятельной отраслью металлообработки. В Западной Европе создаются цеховые объединения волочильщиков проволоки, их продукция предназначалась для изготовления иголок, булавок, гвоздей, щеток.
      Первоначально техника волочения заключалась в следующем: подручный волочильщика продевал заостренный конец заготовки в отверстие волочильной доски, а сам волочильщик захватывал этот конец клещами с другой стороны и протягивал заготовку через отверг стие. Это была тяжелая работа, особенно при получений толстой проволоки. В начале XV века, а возможно и несколько ранее, стали применять приспособление, несколько облегчившее труд волочильщика. Волочильную доску вбивали в деревяннное основание — пень (крупные доскй закрепляли между столбов), мастер-волочильщик находился на подвешенном к потолку сидении (качелях), к поясу мастера были привязаны клещи. Наклонившись к волочильной доске, мастер захватывал клещами конец продетой в волочильное отверстие заготовки, а затем, упираясь ногами в основание волочильной доски, отклонялся назад. За одно такое отклонение он протягивал кусок проволоки длиной до 30 сантиметров. Перехватывая клещами заготовку, мастер несколько раз повторял эту операцию, пока не протягивал всю заготовку. Затем таким же образом проволоку протягивал через отверстий меньшего диаметра и доводил ее до нужной толхциньь Данное приспособление позволяло создавать усилие волочения не мышцами рук, а более сильными мышцамй ног и корпуса.
      Следующим этапом развития волочения стало приме-нение вращающегося тягового устройства — барабана. Такой станок стали называть волочильной скамьей. Hа одном ее конце укрепляли волочильную доску (волоку) а на другом деревянный ворот с ремнем, К ремню привязывали клещи для захвата конца заготовки. ПрИвращении ворота ремень наматывался на барабан, увлекай за собой клещи с зажатой в них заготовкой. Есть истории ческие сведения, позволяющие предполагать, что подобные устройства применялись мастерами-ювелирами Киевской Руси еще в X веке. При волочении тонкой прово-1 локи использовали приспособление с намоткой конца заготовки на барабан без применения клещей. В этом случае барабан служил одновременно и тянущим, и наматывающий устройством.
      До XII — ХШ веков волочению подвергали в основном пластичные металлы: медь, серебро, золото. Железную проволоку в то время изготавливали ковкой. Применяли железную проволоку в основном для изготовления кольчуг. На одну кольчугу требовалось до 600 метров проволоки, из которой изготавливали примерно 20 тысяч колец. Каждое кольцо продевалось через соседнее и заваривалось с помощью кузнечной сварки. Такая работа требовала немалого мастерства и терпения. Стоили кольчуги очень дорого. С появлением огнестрельного оружия железные доспехи стали уходить в прошлое. Однако производство проволоки не пришло в упадок, а, напротив, успешно развивалось. Она шла на изготовление гвоздей, игл, канатов. Появилась проволока сложного сечения: четырехугольная, квадратная, многоугольная, которая служила заготовкой для получения различного инструмента, деталей.
      С появлением водяного привода были созданы рычажно-клещевые волочильные станы, это был усовершенствованный вариант волочильного устройства с качелями. Клещи, которыми волочильщик захватывал конец пропущенной через отверстие в волочильной доске заготовки, прикреплялись не к поясу мастера, а к канатувторой конец которого был соединен с валом водяного колеса. Простейший кривошипный механизм превращал вращательное движение водяного колеса в поступательное движение каната, увлекающего за собой клещи с зажатой в них заготовкой. В обязанность волочильщика входило перехватывание клещами заготовки по мере ее протягивания через волочильное отверстие. В дальнейшем водяной привод был приспособлен и к барабанным волочильным станам.
      С появлением высокопроизводительного процесса прокатки можно было уже получать изделия весьма сложной формы и любой длины. Почему же этот процесс не вытеснил волочение, которому и сегодня часто отдают предпочтение? Дело в том, что на современных непрерывных прокатных станах можно получать проволоку только большого диаметра (5 — 9 миллиметров), ее называют катанкой. Прокатку проволоки ведут в горячем состоянии с высокой скоростью. Получать таким способом проволоку диаметром менее 5 миллиметров технически трудно и экономически невыгодно. Горячая прокатка не позволяет обеспечить высокую точность размеров проволоки из-за упругих деформаций клетей и их деталей, поверхность проволоки покрыта слоем окалины, которая частично вдавливается в нее.
      Операцию волочения проводят в основном в холодном состоянии. Только холодная деформация может обеспечить высокую точность размеров и качество поверхности, особенно при производстве проволоки малого диаметра. Кроме того, холодная деформация позволяет повысить прочностям! свойства металла, а также придать ему некоторые специальные физические, свойства.
      Исходным материалом для волочения являются катанка, прутки, трубы, полученные прокаткой или прессованием. Из этих заготовок с помощью волочения получают проволоку диаметром от нескольких микрометров до 6 миллиметров, а также трубы диаметром менее 1 миллиметра со стенкой толщиной менее ОД миллиметра. Наибольший диаметр обрабатываемых волочением труб составляет 360 миллиметров.
      Волочение прутка (а) и трубы (б); прямое (в) и обратное (г) прессование: I — заготовка; 2 — волока; 3 — оправка; 4 — матрица; 5 — контейнер; 6 — пуансон
      Вспомним, в чем заключается сущность процесса волочения. Заостренный конец заготовки вставляют в коническое (суживающееся) отверстие волоки, диаметр которого меньше диаметра заготовки. Затем конец заготовки захватывают клещами и протягивают через волоку, при этом сечение заготовки уменьшается, а длина увеличивается. Характерной особенностью волочения является то, что деформирующее усилие передается в зону деформации через выходящий конец заготовки. Таким образом, это усилие, а следовательно, и степень деформации при волочении ограничиваются прочностью выходящего конца заготовки. Кстати говоря, это обстоятельство ограничивает и применение нагрева заготовки, так как одновременно со снижением сопротивления металла, деформации в зоне деформации уменьшается и прочность выходящего конца заготовки.
      Волока работает в тяжелых условиях, подвергается интенсивному истиранию, поэтому ее изготавливают из инструментальной стали или твердых сплавов; для волочения тонкой проволоки из твердых сплавов применяют алмазные волоки. Канал волоки тщательно шлифуют и полируют. С целью уменьшения трения между заготовкой и волокой применяют волоки, представляющие собой роликовую обойму; при этом трение скольжения заменяется трением качения.
      Волочение осуществляют на волочильных станах двух основных типов: цепных й барабанных. На цепных станах обрабатывают заготовку (прутки, трубы) большого сечения. После того как клещевым захватом зажимается конец заготовки, он прикрепляется к непрерывной цепи, натянутой между двумя барабанами. Цепь увлекает за собой захват вместе с заготовкой и протягивает ее через
      волоку. После выхода из стана заготовка остается прямой. На современных станах одновременно протягивают до 8 прутков через многоканальные волоки.
      Прутки и трубы малого диаметра обрабатываются на барабанных станах. При этом заготовка в виде бухты помещается на барабан-разматыватель, а полученная волочением проволока или труба наматывается на тянущий барабан. Проволоку диаметром менее 4 миллиметров получают на станах многократного волочения: пройдя через первую волоку, проволока наматывается на промежуточный тянущий барабан (2 — 3 витка), а затем поступает в следующую волоку и на промежуточный барабан и гак далее.
      Если при волочении заготовку вытягивают через инструмент (волоку), то при прессовании ее выталкивают через подобный инструмент — матрицу. Можно дать такую формулировку процессу прессования — выдавливание металла из замкнутого объема через отверстие. Замкнутый объем образует контейнер — толстостенный цилиндр, а отверстие находится в матрице, которая закреплена в торцевой части контейнера. Выдавливает же металл пуансон, перемещающийся внутри контейнера. Описанная схема называется прямым прессованием. Если же контейнер с одного торца заглушить, а в пуансоне просверлить осевое отверстие, то при движении пуансона металл заготовки будет выдавливаться в полость внутри пуансона и принимать размеры и форму его отверстия. Такой процесс называют обратным прессованием — направление течения металла противоположно направлению движения пуансона.
      Как прямым, так и обратным прессованием можно получать не только сплошные, но и полые изделия. Для этого при прямом процессе к пуансону прикрепляют стержень (нгЛ$г), передний конец которой проходит с некоторым зазором через отверстие в матрице. Через этот-то зазор и выдавливается металл заготовки. Перед началом прессования полого профиля заготовку прошивают иглой в контейнере или предварительно просверливают ® ней отверстие. При обратном прессовании полый профиль формируется при течении металла в кольцевой зазор между контейнером и пуансоном, диаметр которого делают меньшим диаметра контейнера.
      Первоначально прессование применяли только для обработки пластичных цветных металлов (меди, алюминия) и их сплавов. Однако в последнее время в результате создания мощного прессового оборудования и разработки прогрессивных технологических решений возможности процесса прессования значительно расширились. Было реализовано его главное достоинство, которое заключается в том, что при прессовании металл подвергается интенсивному всестороннему сжатию. А это значительно облегчает условия деформации и позволяет обрабатывать очень хрупкие сплавы с высокой степенью обжатия (коэффициент вытяжки может достигать 100 и более),
      С помощью прессования получают изделия различного профиля из высоколегированных сталей и сплавов, тугоплавких металлов (вольфрама, молибдена, ниобия, тантала), которые с трудом поддаются прокатке; изготавливают сплошные и полые изделия самого сложного профиля (ребристые, ступенчатые и так далее), слоистые профили из разнородных металлов. Разновидностью прессования является процесс выдавливания, который применяют для получения стержневых заготовок постоянного или переменного сечения для дальнейшей обработки, например заготовки (стержень с утолщением на конце) клапанов для двигателей внутреннего сгорания.
      Для того чтобы изготовить другую деталь, достаточно только сменить матрицу, поэтому этот процесс можно эффективно применять при мелкосерийном производстве. При прессовании достигается высокая точность размеров получаемых изделий, ведь упругие деформации прессового инструмента очень малы.
      Что касается недостатков прессования, то к ним следует отнести тяжелые условия и короткий срок службы инструмента (матриц и игл), который изготавливают из дорогостоящих сплавов, неравномерность свойств прессованных изделий по сечению и длине из-за неравномерности деформации (более выраженной, чем при Црокат-ке). При прессований получается больший расход металла чем ,при прокатке, так как всегда остается недопрес-сованный участок заготовки, так называемый пресс-остаток.
      Прессование осуществляют на прессах с гидравлическим приводом. Основными частями пресса являются станина, главный цилиндр с поршнем и пуансоном, контейнер, устройство для отделения пресс-остатка, механизм смены матриц, цилиндры обратного хода.
     
      Продукции стана — готовая деталь
      Прокатные цехи металлургических заводов — главный поставщик заготовок для машиностроителей. Однако прокатчики обслуживают и станы, которые выдают готовые детали. Эти детали раньше изготавливали с помощью резания или штамповки. Чем же вызвано столь стремительное «наступление» прокатки, почему она применяется во все новых и новых областях металлообработки, вытесняя другие процессы? Преимущества прокатки — непрерывность, высокая производительность, способность к полной автоматизации и минимальному расходу металла. Эффективно работают шаропрокатные, колесопрокатные, осепрокатные и другие станы, продукция которых почти не нуждается в доводочной обработке. Одно из первых применений прокатки для получения деталей — изготовление цепей. В XVII веке с развитием кораблестроения появились якорные цепи. Делали их так; из отрезков кованого прута выгибали звено цепи, стыки сваривали кузнечной сваркой, затем в первое звено продевали второе, стыки снова сваривали и так далее. Этот способ был не только трудоемок, но и не обеспечивал стабильного качества цепи. Ведь попадись в ней хотя бы одно плохо сваренное звено и вся цепь окажется ненадежной. Кроме того, учитывая лучшую свариваемость мягкой малоуглеродистой стали, именно ее и применяли для изготовления цепей. Более же прочные стали, обладающие худшей свариваемостью, не могли быть использованы для производства цепей. Конечно, это побуждало к поиску новых технических решений.
      В конце XIX века был предложен способ прокатки бессварочныцепей. Сначала прокатывали полосу с крестообразным сечением, а затем ее пропускали через две пары валков (горизонтальных и вертикальных). На поверхностях валков вырезали углубления, соответствующие форме звеньев цепи. Прокатанную заготовку подвергали дальнейшей обработке на штампах; разделяли и раздвигали звенья, удаляли заусенцы. Из высокопрочной стальной полосы длиной 45 метров получали 75-метровую цепь.
      Другим примером может служить прокатка полосы в валках с зубчатой поверхностю. В результате получается так называемый периодический профиль.
      Самая ответственная деталь локомотивов и железнодорожных вагонов — колеса. Это они принимают на себя громадные динамические нагрузки, подвергаются интенсивному истиранию. Чтобы изготовить эту деталь, требуется объединение возможностей трех основных опе-
      радий обработки давлением — ковки, штамповки и прокатки. При этом прокатке отводится основная работа, поэтому и цех для изготовления колес называют колесопрокатным. Вот, что в нем происходит. Стальной слиток нарезают на «дольки» — исходные заготовки для колес. Эти заготовки нагревают и подают на пресс. В результате осадки и прошивки получают дискообразную поковку с отверстием. Следующая операция производится также на прессе — штампуются ступица, диск и контур обода. Теперь очередь за прокаткой. Валки стана раскатывают прилегающий к ободу диск. В процессе прокатки по мере увеличения диаметра колеса валки раздвигаются. И снова обработка на прессе — выгибание диска колеса, калибровка обода, затем следует термическая обработка и колесо готово.
      Детали цилиндрической формы (валы, муфты, роторы, оси, втулки) составляют обширный класс машиностроительных изделий. Получение этих деталей с помощью обработки рбзанием (обточки, фрезерования, сверления и т. п.) сопряжено с очень большими потерями металла в стружку. Поэтому стремятся придать исходной заготовке форму и размеры, максимально приближенные к форме и размерам готового изделия. Например, заготовкой для втулок, колец, полых валон и многих других деталей служат трубы. Однако и здесь-неизбежны потери металла при резке трубы-заготовки на нужные длины и доводившее до размеров готовой детали.
      Особенно велики потери металла при изготовлении детали переменного профиля (ступенчатого, конусообразного), ведь в этом случае толщина стенки исходной трубы должна быть такой, чтобы обеспечить «вырезку» всех нужных элементов. Здесь применение прокатки особенно эффективно. В основе большинства деталепрокатных технологий лежит процесс поперечной и винтовой прокатки. Все получаемые прокаткой детали можно объединить в несколько групп: детали в виде коротких тел вращения (кольца подшипников, втулки, шары, короткие оси); детали в виде тел вращения большой длины (шпиндели, валы, оси, в том числе с переменным профилем) ; детали с винтовым профилем (валы червячных передач, шнеки, винты домкратов, ходовые винты станков, роторы винтовых компрессоров, ребристые трубы); зубчатые детали (колеса, звездочки).
      Прокатка шаров (а), осей (б) и втулок (з)
      Интересно наблюдать за работой шаропрокатного стана. С одной стороны в него входит цилиндрический пруток, а с другой выскакивают готовые шары. Их применяют в мельницах для дробления руды и цемента, в фильтрах тепловых электростанций. Но что же происходит в самом стане? Пруток направляют в зазор между двумя валками с винтовым калибром. Захваченный валками пруток начинает вращаться и продвигаться вдоль оси валков. Винтовой калибр делит пруток на короткие «порционные» куски, которые постепенно обкатываются, приобретая форму шара. В конце калибра готовый шар отделяется и выталкивается из валков. В подобных винтовых калибрах можно получать и другие детали, имеющие форму коротких тел вращения, например ролики подшипников.
      Для получения цилиндрических деталей относительно большей длины используют прокатку в трех валках дисковой или конической формы. В процессе прокатки валки могут автоматически по заданной программе сближаться или раздвигаться, обеспечивая изменение диаметра калибра и, следовательно, формирование нужного профиля изделия. Таким способом прокатывают сплошные и полые вагонные оси, полуоси для автомобилей, шпиндели текстильных веретен.
      Детали с винтовым профилем (червячные валы, винты, роторы, сверла) изготавливают на станах винтовой прокатки с двумя или тремя валками.
      Несколько иным способом прокатывают зубчатые колеса, звездочки и другие зубчатые профили на станах поперечной прокатки. Нагретую заготовку помещают между двумя вращающимися зубчатыми валками. Зубья валков внедряются в металл заготовки и формируют (накатывают) на ней зубья.
      Многие кольцевые детали получают на кольцераскатных машинах: нагретая кольцевая заготовка раскатывается между двумя валками, профиль которых соответствует профилю поперечного сечения получаемой детали.
      Одно из наиболее ответственных изделий — высокопрочные баллоны, предназначенные для хранения и транспортировки сжиженных газов, агрессивных химических веществ и других продуктов, находящихся под высоким давлением. Заготовкой для баллонов служат толстостенные трубы, концы которых закатывают на специальных станах, формируя днище и горловину баллона. Концевую часть заготовки-трубы нагревают, затем заготовку холодным концом вставляют в шпиндель закатного стана и вращают вокруг своей оси. К нагретому концу подводится формователь — инструмент из износостойкого чугуна, который закатывает конец заготовки, образуя горловину баллона.
      Есть у прокатного стана и еще одна работа, она заключается не в прокатке, а в гибке металла. И такой стан правильнее называть гибочным. На нем получают многие фасонные детали, применяемые в автомобиль, ной, строительной, авиационной промышленности. Процесс гибки, или профилирования, заключается в последовательном изменении поперечного сечения полосы при ее прохождении через ряд последовательно расположенных пар роликов — от исходного плоского до окончательного профиля. При необходимости процесс гибки может быть совмещен с операциями резки, пробивки отверстий, пайки или сварки, нанесения покрытий (окраски,, цинкования, лужения и др.), термической обработки. Оборудование для осуществления этих операций размещают в потоке непосредственно за гибочным станом.
      Профилирование в ряде случаев является единственным способом получения тонкостенных длинномерных деталей сложного сечения. Процесс этот безотходен, вы сокопроизводителен, экономичен, что и определяет его быстрое распространение в транспортном и сельскохо зяйственном машиностроении, автомобилестроении, строительстве.
      Из гнутых профилей изготавливают кузова, обшивку и обвязки железнодорожных вагонов, детали рам, кузовов, буферов, настилов, уплотнений, окантовок, соединений грузовых и легковых автомобилей, тракторов, сельскохозяйственных, дорожных и строительных машин, каркасы теплиц, дорожные ограждения, стено-вые панели, дверные и оконные переплеты, шахтную, крепь...
     
      ЗА НИМИ БУДУЩЕЕ
      Удивительны порой бывают требования, предъявляемые к продукции металлургии и машиностроения. В последние годы созданы новые высокопрочные сплавы и композиционные материалы, число их постоянно растет. Чтобы получить готовую деталь, которая нередко Имеет весьма сложную форму, из этих «непокорных» материалов, нужны принципиально новые технологические процессы, обладающие высокой производительностью и позволяющие получать изделия высокого качества при.
      минимальных расходах энергии, материальных и трудовых ресурсов. В создании таких процессов большие заслуги принадлежат советским инженерам и ученым.
     
      Когда металл мягче воска
      В авиационной и космической технике прогресс немыслим без применения сверхпрочных, жаростойких я при этом легких металлов. Чем летательный аппарат легче, тем больше полезного груза он может поднять, тем меньше ему потребуется топлива. Но и земные машины также очень нуждаются в «похудении». И дело здесь не только в экономии металла, хотя это и очень важная задача, но и в улучшении эксплуатационных характеристик этих машин. Почти во всех случаях чем легче и компактнее машина, тем лучше и с меньшими затратами энергии и материалов она работает.
      Таким образом, проблема создания облегченных конструкций повышенной прочности и жесткости стоит весьма остро. Как же заставить высокопрочный, трудноде-формируемый металл принять форму сложной детали?
      Традиционный путь — «действовать с позиции силы», то есть создарать сверхмощное оборудование (прессы, прокатные станы, молоты), дорогостоящий высокостойкий инструмент, затрачивать больше энергии, труда, материалов. Путь этот трудоемок, неэкономичен, а главное, не всегда дает ожидаемый результат.
      А что если попытаться сделать металл более податливым, но только на время обработки? В готовой детали «мягкотелость» недопустима. Такой способ известен с древних времен — это йагрев. Известно, что металл имеет свойство увеличивать свою пластичность в горячем состоянии. Однако, нагреваясь, он покрывается слоем оксидов (окалиной), изменяет свою форму и размеры из-за теплового расширения. Получить методом горячей обработки готовое изделие с высокой точностью размеров и формы, с хорошим качеством поверхности нельзя. Да и сама операция нагрева сопряжена с большим расходом энергии, созданием нагревательных устройств.
      И все-таки способ воздействия на саму природу металла, определяющую его поведение при обработке, наиболее перспективен. Сравнительно недавно ученые-металловеды обнаружили очень странное поведение сплавов цинка с алюминием. При температуре всего 150 — 300 градусов образцы становились настолько податливыми, что при ничтожном усилии могли удлиняться в десятки раз. Металл переставал быть похожим сам на себя, он скорее напоминал воск или нагретое до размягчения стекло, из которых можно вылепить, вытянуть иливыдуть изделие сложнейшей формы. Природа этого явления, названного сверхпластичностью, привлекла внимание многих ученых. Однако и по сей день еще не все понятно в этом удивительном поведении металла.
      Было установлено, что явление сверхпластичности имеет две разновидности: фазовую и структурную. Металл имеет кристаллическую структуру, то есть состоит из кристаллов определенной формы и размеров. Нагрев приводит к изменению кристаллической структуры — фазовому превращению. Если в м:омент этого превращения металл подвергнуть деформированию, то он будет течькак вязкая жидкость под действием очень малого усилия — перейдет в состояние сверхпластичности, Однако в данном случае это состояние будет существовать только до тех пор, пока идет фазовое превращение, поэтому использовать такой эффект на практике довольно трудно
      Другая разновидность сверхпластичности (структурная) определяется предварительной подготовкой металла, а именно созданием структуры, состоящей из очень мелких кристаллов (зерен) примерно одинакового раз-мера. При этом зерна должны иметь близкие размеры во всех направлениях, то есть быть равноосными. Поведе-ние мелкозернистого металла можно сравнить с влажным песком. Зерна — это песчинки, а межзеренные границы — тонкие прослойки воды между ними. Из мелкого-влажного песка можно сформировать многое. Но попробуйте сделать это из мелких камешков — ничего не получится, все будет рассыпаться. Если к камешкам добавить влажного песка, строительные возможности этой смеси сразу же увеличатся: чем больше песка, тем послушней материал.
      То же происходит и в металле: если его структура состоит в основном из мелких равноосных зерен, то пластичность возрастает и достигает максимального уровня при полностью мелкозернистой структуре. В этом случае зерна металла без особых затруднений перемещаются друг относительно друга, не зацепляясь и не создавая заторов. Поэтому металл течет подобно вязкой жидкости и легко принимает любую форму.
      Все технологические процессы, основанные на использований сверхпластичности, базируются на обработке сплавов с предварительно подготовленным ультрамел-ким зерном. Каким же образом получают такие сплавы? В настоящее время определены два основных направления: создание сплавов с заранее заданным состоянием структуры и разработка процессов термомеханической обработки известных промышленных сплавов с целью измельчения зерен до требуемого уровня. На сегодня создано несколько десятков новых сверхпластичных сплавов. Еще больше традиционных сплавов на основе железа, титана, никеля, магния, алюминия, меди и других металлов, для которых ученые нашли способы измельчения зерна.
      Практическое использование эффекта сверхпластичности началось сравнительно недавно. Однако разработки ученых позволили определить основные области и направления наиболее эффективного применения этого явления в металлообработке. Рассмотрим те из них, которые уже сегодня осваиваются промышленностью.
      Процесс волочения заключается в протягиваний заготовки через отверстие в волоке, при этом уменьшается ее сечение и увеличивается длина. Волока — дорогостоящий инструмент из твердого сплава, а иногда и из алмаза, подвергающийся интенсивному износу и потому имеющий небольшой срок службы. Вообще говоря, при всех операциях обработки давлением (прокатке, прессовании, ковке, штамповке) проблема стойкости инструмента — одна из основных. Раз инструмент контактирует с обрабатываемым металлом, возникает трение, значит неизбежен износ инструмента,
      А нельзя ли обрабатывать металл без контакта с ним? Оказывается, можно. Заготовку из сверхпластичного сплава пропускают через сквозной индуктор — кольцевой нагреватель. Концы заготовки зажимают двумя захватами. Тепло, генерируемое индуктором, нагревает охватываемую им зону металла до заданной температуры, он размягчается и при приложении незначительного растягивающего усилия начинает сверхпластически деформироваться, вытягиваться, уменьшаясь в сечении. Когда будет достигнута нужная деформация, индуктор переместится вдоль заготовки, нагревая следующий ее участок, сюда же «перейдет» и зона деформации. Можно перемещать не индуктор, а заготовку, результат будет тот же — произойдет последовательная деформация заготовки.
      Отсутствие трения между заготовкойи деформирующим инструментом (которого здесь просто нет) позволяет очень равномерно деформировать металл по сечению заготовки и, следовательно, получать изделия с одинаковыми по толщине свойствами. Очевидно, этим способом можно получать изделия с переменным (плавно или ступенчато изменяющимся) профилем. Используя один индуктор, можно одновременно обрабатывать несколько заготовок, повышая производительность.
      Материалы, в том числе и металлы, увеличиваются в объеме при нагревании. Это зачастую приводит к нежелательным последствиям. Для предотвращения нежелательных последствий теплового расширения рельсов, трубопроводов и других конструкций применяют различного рода компенсаторы. Особо точное механическое оборудование и электронная аппаратура вообще не работают даже при небольших колебаниях температуры. Поэтому для них создают специальный микроклимат. Однако тепловое расширение металлов в ряде случаев может принести и пользу. Примером тому термобиметаллы.
      А недавно для «строптивого» эффекта нашлась еще одна очень ответственная работа. Ему поручили штамповать сложные металлические детали. Термоупругий пресс — машина, в которой тепловая энергия непосредственно вызывает деформацию: рабочий ход этого своеобразного оборудования осуществляется за счет теплового расширения нагреваемого сердечника, находящегося внутри уже нагретого контейнера, в зазоре между которыми размещается обрабатываемая заготовка.
      Технологический цикл работы такого пресса состоит в следующем. Контейнер помещают в нагревательное устройство, где „он приобретает температуру, соответствующую температуре деформации заготовки. Затем в контейнер устанавливают сердечник с надетой на него заготовкой. В, результате заготовка оказывается в зазоре между контейнером и сердечником. Нагреваясь, сердечник расширяется, уменьшая зазор, и металл заготовки заполняет все каналы на поверхностях контейнера и сердечника. После окончания процесса деформации образовавшийся «блок» сердечник — заготовка — контейнер извлекают из нагревательного устройства, охлаждают, разбирают и извлекают готовую деталь.
      Использование таких прессов очень эффективно для штамповки крупногабаритных замкнутых кольцевых элементов оболочек с наружным или внутренним оребрени. ем (продольным, кольцевым или вафельным). Формообразование рельефа оребрения осуществляется путем сжатия заготовки, находящейся между сближающимися наружной поверхностью сердечника и внутренней поверхностью контейнера. При этом происходит заполнение металлом заготовки негативного (обратного) рельефа на одной из рабочих поверхностей, соответствующе го форме и размерам оребрения.
      Традиционная технология получения подобных дета лей механическим, химическим или электрохимическим фрезерованием связана с безвозвратной потерей в отходы от 80 до 95 процентов металла заготовки. Штамповка на термоупругих прессах позволяет в несколько раз увеличить коэффициент использования металла, повысить качество готовых изделий (устраняется подрезание волокон исходной заготовки), снизить трудоемкость производства.
      Наиболее распространенной операцией обработки металлов на сегодня можно, пожалуй, считать объемную штамповку. Этот процесс можно полностью автоматизировать, что позволит обеспечить крупносерийное и маесовое производство самых разнообразных деталей с высокой производительностью. И все-таки у объемной, штамповки есть существенный недостаток — это высокий расход металла. Даже применение особоточной технологии штамповки не исключает отходы металла в стружку при последующей доводке отштампованной детали, его потери достигают 20 процентов. При изготовлении деталей обычной точности потери возрастают до 50 — 80 процентов. Штамповкой получают и большинство изделий из пластмасс, причем отходов почти не бывает. Ведь пластмасса получила свое название благодаря очень высокой пластичности, позволяющей легко принимать любую заданную форму. Может быть именно это и привело исследователей к мысли об использовании сверхпластичности металлов при получений деталей объемной штамповкой. Так или иначе, но уже первые опыты дали хорошие результаты; объем штампа полностью заполнялся металлом, детали имели поверхность отличного качества. Расход металла снижался более чем в два раза по сравнению с обычной точной штамповкой.
      Исключительная податливость сверхпластичного металла позволила применить для его обработки технологию, напоминающую литье под давлением (когда жидкий металл не просто заливается в форму, а как бы закачивается в нее). Так вот при штамповке в состоянии сверхпластичности металл проталкивается через каналы в полость штампа, заполняет ее и принимает соответствующую форму. При этом из одной заготовки простой формынапример, цилиндрической, можно получить сразу несколько деталей сложной формы, «разливая» эту заготовку по каналам в несколько полостей штампа.
      Перспективы применения сверхпластичности для обработки металлов трудно переоценить. Эта принципиально новая технология призвана существенно поднять технико-экономический уровень многих отраслей машиностроения.
     
      Новое в старом
      Отдавая должное достоинствам процесса прокатки, мы говорим о ее непрерывности, большой производительности» высоком качестве получаемой продукции. Сами прокатные цехи поражают нас своими гигантскими размерами, мощью оборудования. «Дорога» от сляба до тонкого листа тянется на сотни метров, и сколько на ней всевозможных машин и устройств, потребляющих энергию, материалы, требующих обслуживающего персонала.
      Из толстого блюма сразу получить тонкий пруток невозможно. Блюм сначала надо нагреть, прокатать «потоньше», затем опять нагреть и снова прокатать и так несколько раз. И все это потому, что валки прокатного стана за один проход могут продеформировать заготовку только с весьма ограниченным обжатием, которое зависит от диаметра валков, толщины заготовки, ее пластичностии ряда других факторов. А в результате — длинные ряды клетей стана, печей, вспомогательных устройств. Словом, те самые «грандиозные масштабы», которые поражают воображение экскурсанта и не могут не заставить ученых и инженеров искать более экономичные способы деформирования металла, способы, не требующие сверхмощного оборудования и громадных производственных площадей. В основе этих способов должен лежать принцип максимальной деформации металла за один цикл обработки.
      Изобретение стана планетарной прокатки позволило реализовать этот принцип. У стана всего одна клеть, а в ней два больших опорных валка, на которых в обойма расположено множество маленьких рабочих валков — подобно роликам в сепараторе роликового подшипника Опорные валки — приводные, а рабочие валки вращают ся от опорных благодаря силам трения. При вращени опорных валков пары рабочих валков поочередно обжи мают участок заготовки, которую в планетарную клет заталкивают вспомогательные задающие валки. Таки образом, каждая пара рабочих валков вносит свою лепту в общий процесс деформации, суммарное обжатие достигает громадных величин — длина исходной заготовки после такой прокатки увеличивается в 15 — 20 раз.
      Представьте себе, сколь эффективен такой процесс; например, в совокупности с методом непрерывной разливки стали. Из машины непрерывного литья заготовок" еще не остывший сляб поступает в стан планетарной прокатки, из которого выходит готовый тонкий лист.
      Сверхвысокие обжатия возможны и при другом способе прокатки. В основе ранее рассмотренного процесса получения бесшовных труб лежит винтовая прокатка, при которой металл разрыхляется в осевой зоне заготовки и образуется полость. Но при определенных условиях винтовой прокатки металл в осевой зоне будет не разрыхляться, а, наоборот, уплотняться.
      Основным условием, порождающим эту метаморфозу, является высокая степень деформации, при которой про-исходит проработка металла на всю толщину заготовки. Таким образом, винтовая прокатка с большими степенями деформации позволяет получать сплошную заготовку высокого качества. Этотпроцесс был назван радиальносдвиговой прокаткой. Стан для его осуществления имеет довольно простое устройство. Его основной узел — рабочая клеть, в которой размещены три цилиндрических барабана. В каждом барабане установлен рабочий валок. При переходе с обработки заготовки одного размера на другой достаточно нажатием кнопки на пульте управления развести или свести барабаны с валками на нужную величину. Благодаря этому на одном комплекте валков можно получать прокат разных размеров из многих металлов и сплавов.
      Необходимо отметить, что большие деформации не только резко увеличивают производительность стана, но и способствуют повышению качества обрабатываемого металла. Известно, что литой металл, служащий заготовкой для прокатки, имеет характерные дефекты (раковины, пустоты, рыхлости), а его структура имеет крупнозернистый характер. При радиально-сдвиговой прокатке создаются исключительно благоприятные условия для формирования равномерной мелкозернистой микроструктуры — в зоне деформации происходит скручивание заготовки с одновременной ее вытяжкой. В результате структурные составляющие, например карбиды в быстрорежущих сталях, располагаются равномерно по всему объему изделия.
      При продольной прокатке обычно наблюдается неблагоприятная продольная ориентация структурных составляющих. Если после продольной прокатки зёрна металла имеют плавные границы, а карбиды и другие упрочняющие фазы располагаются вблизи границ, то после радиально-сдвиговой прокатки зерна имеют пилообразную форму, а упрочняющие фазы располагаются внутри зерна. Такая макрои микроструктура обеспечивает повышенные механические и эксплуатационные свойства металла. Пластичность и износостойкость повышаются примерно в два раза по сравнению с металлом, получаемым обычной продольной прокаткой, когда упрочняющие составляющие вытягиваются «строчками» в направлении прокатки.
      По свойствам получаемого металла, по производительности работу одной клети стана радиально-сдвиговой прокатки можно сравнить с работой, выполняемой 10 — 15 клетями продольной прокатки. Поэтому понятно, какие перспективы открываются при реконструкции металлургических предприятий, их техническом перевооружении. Высвободившиеся площади можно будет занять другим оборудованием или расположить на них несколько станов радиально-сдвиговой прокатки.
      Высокопроизводительные процессы с максимальной деформацией металла за Один цикл обработки появились и у кузнецов. Один из них — ковка на радиальноковочных машинах (РКМ), где заготовку синхронно обрабатывают не два, а четыре симметрично расположенных бойка.
      РКМ состоит из стального блока с четырьмя бойками. По обе стороны от ковочного блока расположены зажимные головки, обеспечивающие подачу заготовки в процессе ковки. Обрабатываемая заготовка с помощью загрузочного устройства подается на ось ковки. Здесь она «попадает в объятия» манипулятора, который зажимает заготовку, подводит ее к бойкам и сообщает ей вращательное и поступательное движение. Механизм РКМ обеспечивает возвратно-поступательное движение бойков и позволяет изменять поперечное сечение обрабатываемой детали, получать ступенчатые переходы любой формы — конической, криволинейной.
      При обработке поковок прямоугольного и квадратного сечения заготовку подают в зону деформации без вращения. На РКМ можно отковывать прутки различного сечения, ступенчатые сплошные валы и оси для локомотивов, вагонов, автомобилей, полые валы для самолетов, заготовки для лопаток турбин, тонкостенные трубы. Крупные изделия получают из слитков, детали небольших размеров — из катаной или кованой заготовки. На современных РКМ можно обрабатывать поковки диаметром от 15 до 600 миллиметров.
      Благодаря одновременному обжатию заготовки с четырех сторон создаются хорошие условия деформации, обеспечивающие высокое качество изделия и исключающие появление в них, трещин. При высокой частоте ударов бойков (до 1800 ударов в минуту) производительность в 4 — 6 раз больше, чем у современных быстроходных ковочных прессов.
      И еще одно очень важное достоинство РКМ — высокая точность получаемых изделий и хорошая чистота поверхности. Машина работает в автоматическом режиме и обслуживает ее один человек, она высоко экономична.
      Принцип деформирования заготовки в радиальноковочной машине действует и в другой установке — ротационно-ковочной. Вот ее устройство: в гнездах цилиндрической обоймы свободно установлены ролики. Внутри обоймы размещен шпиндель с четырьмя пазами, в которых находятся ползуны с бойками. Когда шпиндель приводится во вращение, ползуны под действием центробежных сил скользят по пазам шпинделя и расходятся, попадая в зазор между роликами. Ролик накатывается на ползун и отталкивает его к центру, ползун действует на боек, а тот в свою очередь ударяет по заготовке. В других конструкциях вращается не шпиндель, а обойма с роликами — как в роликовом подшипнике. Все остальное действует также.
      С трением хорошо знаком каждый. И дворник, посыпающий песком обледеневший тротуар, чтобы пешеходы не скользили, и спортсмен, старательно смазывающий лыжи, — для него трение главный «соперник» на пути к финишной ленточке. Ну, а в технике трение — враг номер один. Реки смазки ручейками растекаются по узлам автомобилей, станков, всех машин и механизмов, где есть движущиеся части, а следовательно, и трение. Такое «умасливание» коварного «неприятеля» обходится очень дорого.
      Почти все технологические операции при обработке металлов давлением выполняются в условиях трения между поверхностями заготовки и инструмента. Это так называемое деформационное трение. Обрабатываемый металл стремится к перемещению относительно поверхности инструмента, а возникающие силы трения затрудняют его перемещение. Роль трения при обработке давлением огромна, трение определяет характер течения металла, затрудняет заполнение металлом сложных форм, образуемых рабочей поверхностью инструмента, ускоряет его износ, повышает усилия, необходимые для обработки металла.
      Пожалуй, единственным процессом обработки давлением, где трение играет двоякую роль (и отрицательную, в положительную), является прокатка. Без трениявалки проскальзывали бы по поверхности металла, не увлекая его и, следовательно, не производя деформацию. Особенно велика положительная роль сил трения в начальной стадии прокатки — при захвате металла валками. Чтобы осуществить этот захват, требуются довольно значительные силы трения. Чем больше толщина заготовки, тем труднее увлечь ее в валки, поэтому при прокатке слитков применяют искусственно повышенные силы трения с помощью загрубления поверхности валков (насечкой или наваркой). Однако при дальнейшей прокатке с уменьшением толщины заготовки и облегчением условий ее захвата валками прибегают к противоположным мерам — валки шлифуют и полируют, применяют смазку, стремясь уменьшить трение, свести к минимуму его отрицательное влияние.
      Наибольшие трудности создает трение в процессе прессования металла, когда необходимо выдавить через отверстие в матрице заготовку, которая всей своей поверхностью испытывает сопротивление со стороны контейнера, матрицы, пресс-шайбы. На преодоление трения идет до половины всей энергии, используемой при прессовании. Для уменьшения трения применяют всевозможные смазки, даже такие экзотические, как касторовое и пальмовое масло. С этой же целью улучшают качество поверхности инструмента шлифованием, полированием, нанесением различных антифрикционных покрытий.
      Чтобы понять особенности деформации при прессовании, подготовленную к прессованию заготовку разрежем вдоль оси пополам и на поверхность разреза нанесем ряды горизонтальных и вертикальных линий. В результате вся поверхность окажется разбитой на множество квадратиков — как листок тетрадки по арифметике. Это называется координатной сеткой. Теперь сложим половинки заготовки и запаяем шов. Установим заготовку в контейнер пресса и пропрессуем ее. Однако мы не будем пропрессовывать всю заготовку, а прервем процесс и извлечем ее из контейнера, нагреем до температуры плавления припоя, и она распадется на две половинки. Эксперимент завершен, осталось проанализировать его результаты.
      Что же мы увидим на поверхности разреза заготовки? Вместо аккуратных и совершенно одинаковых квадратиков возникла причудливая картина, которая характеризует течение металла при прессовании на всех его стадиях. Прежде всего металл в разных зонах заготовки течет неравномерно: с наибольшей скоростью движется центральный слой (квадратики сильно вытянулись), периферийные же слои, тормозящиеся стенками контейнера, перемещаются значительно медленнее. В результате металл отпрессованного изделия получает неравномерную проработку и соответственно разные свойства. А в ряде случаев неравномерность деформации может привести к, возникновению трещин на заготовке.
      Для снижения вредного влияния трения заготовку покрывают слоем смазки, однако она проникает в поверхностный слой металла и образующиеся при ее сгорании газы вызывают дефекты: отслоения, плены, пузыри. При обработке высокопрочных сплавов применяют так называемую «рубашку» — покрывают трудно-деформируемую заготовку слоем пластичного металла. Такая рубашка принимает на себя действие сил трения и способствует выравниванию скоростей течения металла центральных и периферийных слоев. А вот еще один способ снижения неравномерности деформации — периферийные слои заготовки нагревают до более высокой температуры, чем центральные. Благодаря повышенной податливости периферийных слоев скорость их истечения увеличивается и приближается к скорости центральных.
      Однако все эти приемы только в той или иной степени снижают вредное влияние трения, не устраняя его полностью. Принципиально новое техническое решение заложено в уже известном способе обратного прессования. Его отличительной особенностью является то, что матрица с помощью пуансона перемещается как бы навстречу металлу, заставляя его устремляться в канал матрицы. В результате металл перемещается только в зоне, прилегающей к матрице, по стенкам же контейнера течения нет, а следовательно, нет и трения. В пол-тора-два раза снижается расход энергии на прессование и необходимое усилие.
      Итак, при обратном прессовании силы трения нейтрализованы. Это хорошо, но ведь гораздо лучше было бы направить эти силы на полезную работу. А работа эта заключается в деформировании металла. Как же это сделать? Вероятно, надо изменить направление действия сил трения на противоположное, соответствующее направлению течения металла. Как говорят математики, знак «минус» изменить на знак «плюс». В этом случае трение будет не препятствовать движению металла, а, наоборот, содействовать ему, Решение этой технической задачи оказалось весьма несложным. Правда, здесь уместно заметить, что все крупные открытия представляются нам простыми и очевидными.
     
      Вот это решение: придать контейнеру движение
      в направлении прессования, причем скорость контейнера должна быть больше скорости прессуемого металла. В результате контейнер будет опережать металл, увлекая за собой (с помощью трения) поверхностные слои заготовки. Таким образом, трение будет способствовать выравниванию деформации по объему заготовки, а следовательно, придаст ей равномерные свойства.
      Подобного же эффекта можно достичь при волочении труб на оправке. Для этого оправку надо перемещать в направлении волочения со скоростью, превышающей скорость обрабатываемой трубы, Здесь активные силы трения возникают только на внутренней поверхности трубы. Однако и такое частичное «привлечение на свою сторону враждебных сил» дает большой технический и экономический эффект — значительно увеличивается степень деформации при волочении.
      Этими примерами не ограничиваются возможности создания процессов и оборудования, в которых трение играет положительную, активную роль. Их достоинство очевидно: уменьшается расход энергии, повышается качество получаемых деталей.
     
      В безвоздушном пространстве
      Маленькое сияющее чудо XX века, ставшее для нас таким привычным и совершенно необходимым, — лампочка. Заключенная в стеклянную колбу, раскаленная до бела вольфрамовая спиралька неутомимо излучает свет и тепло. А ведь известно, что стоит только нагреть металл, в том числе и вольфрам, как он начинает обрастать слоем оксидов, которые со временем могут «съесть» весь металл. В чем же секрет несгораемой спиральки из тончайшей проволоки? Все очень просто — из колбы выкачан воздух и поэтому металл изолирован от его губительного воздействия.
      Металл и тепло... В огне печей происходит превращение руды в ослепительные струи металла. Затем затвердевший в слитке металл будет вновь нагрет перед первой операцией прокатки или ковки. И еще не раз металлическую заготовку нагреют, продеформируют, охладят, И не один слой окалины будет счищен с ее поверхности. Конечно, при всех операциях, связанных с нагревом, стремятся уменьшить контакт металла с воздухом, И все-таки тысячи тонн стали превращаются в окалину, то есть в отходы.
      Так обстоит дело не только со сталью, но и со bc$s ми металлами и сплавами, обрабатываемыми в горячем состоянии. Но особенно остро взаимодействие с воздухом проявляется при деформации тугоплавких металлов, которые увеличивают свою пластичность только при высоких температурах, и именно тогда, когда происходит наиболее интенсивное окисление металла, проникновение газов в его поверхностный слой. Например, при обработке на воздухе ниобия и тантала до трети их массы теряется в результате окисления. Понятно, что такое расточительство дорогостоящих металлов недопустимо. Их нужно надежно защищать от взаимодействия с активными газами воздуха; кислородом, водородом, азотом, причем защищать на всех стадиях про-десса: при нагреве, деформации и охлаждении.
      Самый простой способ защиты — применение защитных оболочек. Заготовку «запечатывают» в герметичный пакет, например, из стального листа и вместе с ним проводят всю обработку. Однако какое-то количество газов всегда остается в пакете и они делают свое «черное дело». Кроме того, удаление пакета после обработки — задача весьма простая, ведь он прочно приваривается к своему «содержимому» и его приходится срезать или стравливать в растворах, не реагирующих с основным металлом. Используют и различные обмазки, то есть покрывают заготовку специальными составами, препятствующими проникновению воздуха к ее поверхности. Однако все эти способы в большинстве случаев малоэффективны, так как не обеспечивают достаточно надежной защиты металла от окисления.
      А теперь пришло время вспомнить об электрической-лампочке. Ведь именно в ней обеспечивается отличная изоляция нагретого металла (спиральки) от окружающего воздуха. Что если использовать этот принцип защиты и при обработке тугоплавких металлов? Для этого надо, очевидно, удалить воздух из зон нагрева, деформации и охлаждения заготовки, то есть создать там вакуум. Идея была с успехом реализована; рабочие объемы печей, прессов, станов заключили в герметичные камеры, из которых выкачали воздух. Надо заметить, что создание достаточно глубокого вакуума — непростая техническая задача, ведь воздух стремится проникнуть через любые неплотности, микроскопические -Канальцы. Поэтому вакуумная техника — хитроумная, сложная и дорогостоящая.
      Все это привело к еще одному методу защиты. Он заключается в создании вокруг металла инертной атмосферы, то есть среды, не вступающей с ним во взаимодействие. В рабочие части оборудования нагнетают инертный газ (гелий или аргон), который обволакивает обрабатываемый металл и достаточно надежно защищает от окисления. Созданы даже целые цехи для обработки металлов в инертных газах. Они представляют собой герметичные стальные помещения со шлюзб-выми камерами для входа и выхода обслуживающего персонала. Внутри цеха размещено все нагревательноедеформирующее и вспомогательное оборудование. Персонал такого цеха работает в «космических» условиях и поэтому экипирован соответствующим образом — пневмокостюмами и скафандрами.
      Обработка в вакууме и инертных средах обеспечивает безотходность процесса и высокое качество изделий. Поэтому сегодня это одно из наиболее перспективных направлений развития металлообработки тугоплавких металлов.
     
      Детали из порошка
      Когда хотят подчеркнуть цельность и основательность какого-либо сооружения, то прибегают к выразительному определению: монолит, монолитный (сделанный иа( одного куска, глыбы). Вытесанный из 1600-тонного гранитного валуна (Гром-камня) постамент Медного всадника — монолит, грандиозный Царь-колокол — тоже монолит. И уж как ни применить это выражение к знаменитной железной колонне в Дели. Эта колонна — исполнительница сокровенных желаний всех прикоснувшихся к ней — простояла более 1500 лет и совсем не пострадала от времени. Вот это монолит!
      Если оставить эмоции в стороне и задуматься над тем, как же была сделана колонна, то версию о монолите придется отнести к научной фантастике. В самом деле, где могли взять древнеиндийские металлурги кусок железа массой в шесть с половиной тонн? Ведь в то время .железо получали кричным способом, а масса криц не превышала нескольких десятков килограммов. Может быть колонна «сложена» из множества криц, соединенных кузнечной сваркой? Проведенные исследования опровергли эту гипотезу.
      Значит остаются только два возможных ответа на этот вопрос — колонна ниспослана людям богами или,I что более научно, доставлена на Землю инопланетянами, Однако такие объяснения, несомненно, не моглй удовлетворить людей серьезых и здравомыслящих.
      И вот ученые мужи были вынуждены признать, что новейшая технология, носящая название «порошковая металлургия», была известна еще 15 веков тому назад.
      А суть этой технологии в том, что кусок металла превращают в порошок, из которого затем спрессовывают деталь. Чтобы частицы металла не рассыпались, их спекают (нагревают без расплавления).
      Отцы, а вернее праотцы порошковой металлургии, имена которых до нас, к сожалению, не дошли, поступали, наверное, следующим образом. Они растирали железные крицы в порошок, нагревали его и проковывали, затем насыпали новую порцию нагретого порошка, проковывали вместе с предыдущей и так далее, пока не нарастили колонну высотой более 7 метров. Ту самую колонну (столб), к которой и по сей день стекаются тысячи богомольцев и туристов, желающих, если не обрести свою толику счастья, то хотя бы сфотографироваться на память об одном из индийских чудес. Если кого-то не устраивает такое объяснение возникновения железной колонны, то он может поработать над новым, своим.
      Перейдем к другим, уже современным чудесам порошковой металлургии. Например, она позволила осуществить давнюю мечту машиностроителей — создать подшипник, который не надо смазывать во время его работы. Ведь в каждой машине есть места, труднодоступные для введения смазки. Поэтому приходится создавать хитроумные системы маслопроводов, усложнять всю конструкцию, а следовательно, уменьшать ее надежность.
      Самосмазывающиеся подшипники скольжения делают из порошка обычного железа с добавками графита, фосфора, меди. Такой подшипник пронизан множеством микроскопических каналов — пор, которые одновременно служат и резервуарами для смазки, и маслопроводами, подводящими ее к поверхности трения.
      Все это позволяет использовать для подшипников не традиционные антифрикционные материалы — дорогостоящие сплавы меди, а железо, которое при обычных условиях (в литом состоянии) не обладает антифрикционными свойствами.
      Если в обычный подшипник (шариковый или роликовый) поставить сепаратор из пористого металла, Предварительно пропитав его смазкой, то такой подшипник будет успешно работать весь установленный для него срок службы на этом запасе смазки. Кроме того, доры обеспечивают отличную прирабатываемость подшипника.
      Пористые подшипники с большим эффектом используют в самолетои автомобилестроении, сельскохозяй-ственном машиностроении, станкостроении, бытовом приборостроении (в стиральных машинах, пылесосах) k Незаменимы они и в таких узлах, где недопустимо попадание смазки в продукцию, например в пищевой промышленности, текстильном производстве. Пористые порошковые детали применяют в фильтрах для очистки воды и других жидкостей, газов, для улавливания пыли.
      Известно, какую угрозу представляет обледенение самолетов в полете на больших высотах. Бороться с этим злом помогает пористое железоникелевое покрытие, наносимое на кромки крыльев: в его порах цирку-лирует антифриз — жидкость, препятствующая обледенению.
      Немногие, наверное, знают о таком оригинальном способе охлаждения сильно нагревающихся деталей, как выпотевание. Охлаждающая жидкость подается в деталь через поры. Порошковые сплавы для изготовления таких деталей называют «потеющими». Так охлаждают, например, лопатки турбин, сделанные из порошковой коррозионностойкой стали.
      В энергетическом машиностроении широко применяв ют контактные материалы, из которых изготавливают размыкающие и скользящие контакты реле, пускате-лей, предохранителей, выпрямителей. К таким материалам предъявляют исключительно высокие требования: высокая прочность, жесткость при повышенных температурах, сопротивление истиранию и окислению, мини-мальная склонность к схватыванию и свариванию. Ни один из металлов не может удовлетворить такому ком-плексу требований. Это под силу только композиции, состоящей из нескольких металлов и неметаллов (резины, полимеров) или из нескольких, не реагирующих между собой металлов, так называемых псевдосплавов., Каждый из компонентов вносит в композицию свое полезное свойство: вольфрам и молибден — твердость и прочность при высоких температурах, сопротивление износу и свариванию; медь и серебро — злектрои теплопроводность. Пример скользящих контактов — щетки для электромашин. Обычно их изготавливают из порошков меди и графита. Медь создает прочный каркас и обеспечивает высокую электропроводность, графит служит отличной смазкой, препятствующей привариванию щеток к коллекторным пластинам.
      Самый эффективный материал для обработки резанием — алмаз. Однако его применение в металлообработке весьма ограничено из-за высокой стоимости, а также технической невозможности получения крупного алмазного инструмента. В настоящее время получают искусственные алмазы массой до 0,2 каратов (1 карат равен 0,2 грамма). Если смешать эти крохотные алма-дики с порошком кобальта, никеля и меди, спрессовать их и спечь, получится алмазно-металлическая композиция. Инструмент из такого материала необычайно стоек, срок его службы в сотни раз больше, чем обычного твердосплавного инструмента. Кроме того, обработка алмазно-металлическим инструментом придает поверх-рости детали очень высокое качество — не требуется дальнейшая шлифовка. Применяют такой инструмент и при геологоразведочных работах для бурения горных пород большой твердости.
      Ряд металлов, в частности тугоплавких (вольфрам, тантал, ниобий, молибден), получают в виде порошка рли губки — такова особенность довольно сложных процессов их восстановления из руд. Плавка этих металлов — процесс дорогостоящий и трудоемкий, поэтому порошковая металлургия оказывается наиболее эффективным методом получения из порошков и губки готовых дётадей.
      Схема порошковой технологии довольно проста: получение порошка, прессование из порошка заготовки и ее спекание. Металлический порошок можно получить разными способами, например измельчением исходного металла (дроблением, размолом, истиранием). А можно расплавить металл и распылить его: направить в струю Жидкого металла сжатый газ или воду, которые разобьют роток металла на мелкие капли и охладят их до затвердевания. Однако лучше всего получать порошки непосредственно из обогащенной руды или из отходов металлургического производства, например окалины. Обогащенную и измельченную руду или раздробленную окалину подвергают химико-термической обработке и в результате получают порошок чистого металла.
      Второй этап порошковой технологии — прессование. Это операция обработки давлением, которая qo многом определяет свойства готового изделия. Здесь много общего с процессами обработки литого металла. Й оборудование такое же: гидравлические и кривошипные прессы, молоты, прокатные станы. При обработке давлением порошок уплотняется и принимает форму готовой детали. Однако прочность такой детали весьма невелик ка. Для обеспечения более надежного соединения порошинок служит заключительная операция — спеканиеСпрессованную заготовку помещают в печь и нагревают до температуры, которая существенно ниже температуры плавления данного металла, Например, температура спекания чистого железа в полтора раза ниж? температуры его плавления. Для предотвращения окисления изделия спекание проводят в печах с защитной атмосферой или в вакуумных печах. Применяют также технологию, при которой операции прессования и спекания проводят одновременно.
      Порошковая металлургия — одна из самых молодых отраслей техники, но уже сейчас трудно назвать область-современной промышленности, где бы не применялись порошковые изделия.
     
      Инструмент из воды и газа
      Мы привыкли к тому, что инструмент должен быть прочнее, тверже обрабатываемого материала. Подавляющее большинство инструментов для обработки и резанием, и давлением наготавливают из металлов. Им легко покоряются дерево и пластмассы, поддаются, правда не без труда, и твердые керамические материалы, например стекло. И все-такие наибольшие трудности возникают при обработке самого металла. Таким образом, изобретая новый сверхпрочный сплав, надо думать и о создании еще более прочного, который тоже надо обрабатывать, чтобы сделать из него инструмент. Эту простую логическую линию можно вести до тех пор, пока она не замкнется в заколдованный круг, из которого не выбраться.
      Как же быть? Ведь требования к прочностным свойствам постоянно растут, удовлетворять их могут только вновь создаваемые сплавы и композиты. Выход один — 4 для обработки сверхпрочных материалов необходимо принимать принципиально новые технические решения. С двумя из них мы уже познакомились — это обработка в состоянии сверхпластичности и порошковая металлургия. Третье решение — отказаться от классического инструмента, заменив его газом или... жидкостью. На первый взгляд такое предложение парадоксально.
      С одной стороны, символ прочности и «непоколебимости» — металл, а с другой, нечто эфемерное и даже не имеющее собственной формы — газ и жидкость. Тем не менее «они сошлись», вернее, ученые «столкнули» их вместе, а в результате — ряд оригинальных технологических процессов.
      В полый толстостенный цилиндр (контейнер) с матрицей помещают заготовку, а затем в полость контейнера подают жидкость, например масло. При достижении определенного давления жидкость начинает выдавливать заготовку через отверстие в матрице. Такойч процесс называется прессованием. Во время обработки заготовка не соприкасается со стенками контейнера, поэтому трения почти нет и расход энергии невелик. Главное достоинство процесса прессования с помощью жидкости (его так и назвали гидропрессование) заключается в следующем. Жидкость равномерно сжимает заготовку со всех сторон, создавая при этом наиболее благоприятные условия для деформаций. Под воздействием такого всестороннего сжатия хорошо обрабатываются самые «неподатливыеметаллы. Даже такой хрупкий материал, как мрамор, оказывается, тоже может пластически деформироваться под действием жидкости.
      Металлы при гидропрессовании показывают настоящие чудеса пластичности — за одну операцию из слитка можно получить тонкую проволоку. Особо трудноде-формируемые сплавы прессуют при нагреве. В этом случае жидкостьзаменяют газом (аргоном, гелием). Такой процесс называют газовой экструзией (выдавливанием).
      С помощью гидропрессования и газовой экструзии получают прутки, трубы, проволоку с профилем сложной формы, при этом достигается (благодаря отсутствию трения) высокая равномерность свойств по сечению изделия.
      Обычно в нашем представлении взрыв — это разрушитель, даже если он имеет мирный, созидательный характер: взрывная добыча полезных ископаемых, сооружение тоннелей и тому подобное. Однако есть и взрыв-металлообработчик. Он деформирует, сваривает и режет металлы, даже упрочняет их.
      Представьте себе такую техническую задачу. Надо получить уникальную деталь, например обтекатель космического корабля. Его диаметр несколько метров, да и форма непростая. Чтобы отштамповать такую деталь обычным методом, во-первых, необходимо создавать сверхмощный пресс, во-вторых, сделать штампы (верхний и нижний) из высокопрочного сплава. И то, и другое связано не только с большими техническими сложностями, но и с громадными материальными затратами. И все это ради одной только детали.
      В данной ситуации штамповка взрывом — оптимальный вариант. Она не требует создания сложного и мощного оборудования, не нужны и штампы из дорогостоящих труднообрабатываемых сплавов. Достаточно минимальных затрат на изготовление одного нижнего штампа из материала самого доступного и хорошо поддающегося обработке — бетона, гипса, льда. На такой штамп накладывают лист-заготовку, а над ней располагают небольшой заряд взрывчатого вещества. Пространство между заготовкой и зарядом заполняют водой, Она-то и будет передавать колоссальную энергию взрыва заготовке, равномерно распределяя давление по ее поверхности и предохраняя от непосредственного воздействия продуктов взрыва — раскаленных газов.
      Таким образом, вода послужит своеобразным «верхним штампом», который сам примет нужную форму и передаст ее обрабатываемой детали. Однако что же произойдет при взрыве с нижним штампом, ведь он сделан из весьма непрочного, хрупкого материала? Конечно, этот штамп разрушится под действием высокой ударной нагрузки, но произойдет это только после завершения штамповки. Дело в том, что скорость деформации металла при взрывной обработке выше скорости разрушения штампа. Гипсовый или бетонный штамп одноразового пользования «погибнет», честно выполнив свой долг.
      Если же требуется получить серию деталей, то нижний штамп можно изготовить из прочного сплава, способного выдержать нагрузки взрывной штамповки. Источником энергии при взрывной обработке может служить не только взрывчатое вещество, но и импульсное магнитное поле, электрический разряд.
      Итак, жидкость и газ под воздействием высокого давления могут работать не хуже мощного молота или пресса. Рассмотрим технологию, получившую название газостатической формовки в состоянии сверхпластичности, Заключается она в следующем: листовую металлическую заготовку накладывают на модель готового изделия, которую называют матрицей. На заготовку помещают крышку, плотно прижимающую края заготовки к фланцу матрицы. Затем заготовку нагревают до температуры сверхпластичности н в полость между крышкой и заготовкой нагнетают воздух, который «выдувает» из листа готовое изделие, при этом его наружная поверхность с абсолютной точностью воспроизводит форму внутренней поверхности матрицы.
      Другая разновидность технологии газостатической формовки предусматривает не нагнетание воздуха в полость между крышкой и заготовкой, а его откачку из пространства между заготовкой и матрицей, то есть создание там вакуумаЭффект тот же — заготовка принимает форму матрицы под воздействием атмосферного давления
      С помощью газостатической формовки получают различные полые детали машин и аппаратов для авиастроительной, химической и других отраслей машиностроения: корпуса, обтекатели, панели, плоскости, сосуды из высокопрочных сплавов на основе титана, магния, алюминия. Эффективно применение этого метода и для получения кузовов автомобилей, корпусных деталей бытовой техники.
      Использование для этих целей традиционных процессов штамповки связано с привлечением мощного vl энергоемкого прессового оборудования, большого числа технологических операций с промежуточными отжигами для увеличения пластичности металла. При этом неизбежны большие потери дорогостоящего металла, дефекты на готовой продукции.
      Газостатическая формовка позволяет за одну-две -операции получить сложнейшую деталь практически неограниченных размеров из высокопрочного металла. Точность размеров и формы изделия исключают необходимость в последующих доводочных операциях (обточке, шлифовке и т.п.). Энергетические затраты при этом минимальны — давление воздуха, деформирующего металл, составляет от одной до нескольких атмосфер (десятых долей МПа). Кроме того, обработка в условиях сверхпластичности улучшает эксплуатационные свойства изделий, увеличивает срок их службы и надежность.
      Современная установка для сверхпластической формовки полностью отвечает требованиям серийного производства, процесс хорошо поддается автоматизации, позволяет применять промышленные роботы.
     
      ЭТО ВЫ МОЖЕТЕ
      Этот раздел для умельцев — тех, кто любит конструировать модели, ремонтировать домашнюю технику, словом, мастерить.
      Тому, кто владеет молотком, напильником, дрелью имеет некоторый опыт работы с металлом, предлагаем научиться простым приемам обработки металла давлением. Познакомившись с несложными приемами ручной ковки, Вы сможете самостоятельно делать различные металлические детали моделей, например якорь океанского лайнера, ствол артиллерийского орудия, инструменты (молотки, отвертки, чеканы и т.п.). Пригодится и умение обращаться с проволокой, листовым металлом. Ну, а у кого-то появится вкус к художественной ковке, чеканке, гравировке.
      Конечно, в домашних условиях можно заниматься только холодной обработкой металлов. Горячей обработкой можно заниматься только в кузне, которую не очень трудно создать в школьной мастерской, на станции юных техников.
      Прежде всего о том, что необходимо иметь каждому кузнецу, — об инструментах. Центральное место в кузне занимает наковальня — основной опорный инструмент, на котором проводят все ковочные операции. С одной стороны наковальня имеет конический круглый выступ — рог, а с другой расположен выступ с плоской поверхностью — хвост. Рог служит для гибки заготовки по радиусу, а хвост для гибки под прямым углом. У основания рога находится площадка, металл которой не подвергался закалке в отличие от остальных участков наковальни. Эта «мягкая» площадка служит основанием для рубки заготовок.
      На поверхности хвоста предусмотрены отверстия для установки различных подкладочных приспособлений (нижников), а также для пробивки отверстий в заготовке.
      Верхняя часть наковальни (лицо, или наличник) располагается горизонтально. Высота наковальни должна быть такой, чтобы, став рядом, Вы доставали пальцами до ее лица. При ковке мелких изделий, художественной ковке применяют маленькие наковальни (шпераки) разнообразной формы: нижней частью шпе-рак устанавливают в квадратное отверстие на основной наковальне или вбивают в деревянный чурбан.
      Теперь познакомимся с основным «ударным» инструментом. Это кувалда (еще ее называют молотом или боевым молотом) и ручник, который также имеет второе название — кузнечный молоток. Кувалда — инструмент тяжелый, ее масса составляет от 2 до 16 килограммов, поэтому при работе ее держат двумя руками. Масса ручника от 0,5 до 2 килограммов, его держат в одной руке, в другой кузнец зажимает клещи с заготовкой. Ударами ручника кузнец делает всю тонкую
      работу, ручником же он показывает молотобойцу место, по которому следует нанести удар кувалдой.
      Часто работа начинается с рубки заготовки на нужные куски. Эту операцию осуществляют с помощью кузнечного зубила и подсечки. Подсечка, которую вставляют в отверстие наковальни, служит опорой для разрубаемой заготовки. Применяют и рубку одним зубилом на «мягкой» площадке у основания рога наковальни.
      Применяет кузнец и пробойники, которые служат для пробивки в заготовке отверстий разной формы. Пробойники так же, как и кузнечные зубила, насаживают на рукоятки.
      В тех случаях, когда заготовке надо придать цилиндрическую или граненую форму, используют приспособления, называемые обжимками. Верхнюю обжимку насаживают на рукоятку, нижнюю вставляют в отверстие наковальни. Применяют также обжимки, соединенные между собой пружинным зажимом.
      Для выравнивания поверхности заготовки используют молотки с широким бойком — гладилки.
      И, конечно же, никак не обойтись кузнецу без клещей. Ими он достает нагретый металл из горна, укладывает, удерживает и поворачивает заготовку на наковальне. Для надежного зажима на рукоятки клещей насаживают стальное кольцо. Клещей у кузнеца много н все они имеют разную форму губок — круглую, квадратную, прямоугольную. Для каждой заготовки подбирают подходящие клещи, которые должны плотно прилегать к металлу и прочно удерживать его. Необходимы кузнецу и измерительные инструменты: угольник,
      циркули, кронциркули.
      Теперь у нас есть весь необходимый на первый случай инструмент. Можно приступать к работе. Начнем с рубки металла. Если заготовка толстая, то ее рубят прямо на наковальне. Намечают место разрубки и укладывают заготовку на площадку у основания рога. В место рубки наставляют кузнечное зубило и сильно бьют по нему кувалдой. Прорубив заготовку на 8I толщины, ее переворачивают, наставляют зубило и ударом кувалды полностью отделяют отрубаемую часть. Тонкие заготовки разрубают с помощью подсечки: заготовку кладут на подсечку, а сверху наставляют зубило, по которому бьют кувалдой. Чтобы не повредить режущие кромки инструмента, надо избегать сквозной прорубки металла.
      Разновидностью рубки является операция, при которой заготовка только надрубается, оставаясь прочно соединенной с нетронутой частью металла. Обычно надрубленные участки отгибают и подвергают различным операциям ковки.
      Следующие операции — гибка и правка. Заготовки небольшого сечения хорошо подвергаются гибке в холодном состоянии. Гибку полосового металла под прямой угол осуществляют следующим образом.Полосу пропускают в отверстие в наковальне так, чтобы место ги-ба приходилось на уровень поверхности наковальни. Затем с помощью клещей полосу отгибают к наковальне. Для придания месту загиба формы прямого угла полосу проковывают.
      Гибка квадратного прута на оправке с крестообразным вырезом
      Гибку листового металла осуществляют с использованием различных опор: наковальни, металлической плиты, деревянного бруска. Чтобы избежать появления на листе следов от ударов инструмента, следует применять опоры и молотки из более мягкого материала, чем изгибаемый металл. Для гибки под прямым углом в качестве опоры берут прямоугольные бруски, при гибке по радиусу — оправки соответствующей формы. Чтобы согнуть лист до полного закругления, например при изготовлении шарнира, заготовку отбивают вокруг цилиндрической оправки сначала плоским, а затем клиновидным молотком.
      Гибка листового металла — основная операция при проведений кровельных работ. Познакомившись с основными приемами работы кровельщика, Вы сможете отремонтировать крышу, смастерить водосборные желоба и трубы, подоконные отливызонты для дымовых труб. Для кровельных работ применяют листы из мягкой низкоуглеродистой стали толщиной 0,45 — 0,7 мм, лучше, конечно, использовать оцинкованные или омедненные листы с высокой коррозионной стойкостью. Для работы необходимы ручные ножницы и молотки: большой, малый, фигурный и деревянный (киянка). Большой и малый молотки с бойками квадратного сечения применяют для формирования фальцевых соединений: большой молоток служит упором, а малый выполняет главную «ударную» функцию. С помощью фигурного молотка делают сферические поверхности, а -также правят желоба и трубы. Киянку используютцля подготовки кромок к фальцевому соединению.
      Формирование одинарного лежачего фальца: а — отгибка кромки; б — подготовка кромки к загибу (сваливанию); а — сваливание кромки; г — сцепление кромок и уплотнение фальцевого соединении; д — окончательная подгибка фальца (осадка Листа)
      Прежде всего рассмотрим операции соединения лис тов с помощью так называемых фальцев. Наиболее простой вид соединения (одинарный лежачий фальц) выполняется следующим образом. Лист укладывается на верстак так, чтобы кромка шириной 25 — 35 мм выступила за край верстака. С помощью киянки кромку отгибают на угол 90 градусов (отгибку следует начинать-с углов, это удержит лист от смещения). Затем лист переворачивают и загибают (сваливают) кромку наплоскость листа, оставляя между ними зазор в 3 миллиметра. То же самое проделывают со вторым соединяемым листом. После этого листы сцепляют загнутыми кромками и уплотняют соединение, простукивая его киянкой. Последняя операция (осадка листа) заключается в окончательной подгибке фальца и совмещении плоскостей соединенных листов. На верхний лист вдоль-фальца накладывают металлическую полосу и простукивают ее молотком. С помощью одинарного лежачего фальца можно несколько листов соединить в одну полосу.
      При соединении двойным лежачим фальцем листы готовят так же, как и при одинарном, однако загнутые кромки загибают еще раз, а затем сваливают их на плоскость листа, оставляя между кромкой и листом зазор в 3 миллиметра. Зацепление кромок осуществляют, вдвигая их друг в друга. Операции уплотнения и осадки выполняют так же, как и для одинарного фальца»
      Формирование одинарного («) и двойного (б) стоячего фальца, формирование углового фальцевого соединения (в)
      Для формирбвания одинарного стоячего фальца кромки полос загибают на угол 90 градусов, при этом ширина одной кромки должна быть больше на 10 — 15 миллиметров. Затем кромки соединяемых полос совмещают и с помощью малого и большого (служащего передвижным упором) молотков производят подгибку более широкой кромки и уплотнение полученного соединения. Кровельщики-профессионалы применяют для этих операций специальный инструмент — кромкогибщик и фальцовку, которые значительно повышают производительность труда. Двойной стоячий фальц формируется из одинарного с помощью его вторичной подгибки и уплотнения (ширину кромок для двойного фальца делают больше, чем для одинарного).
      При поделке колпаков и зонтов дымовых труб, прямоугольных емкостей, разного хозяйственного инвентаря бывает необходимо применить угловые фальцевые соединения. На соединяемых листах отгибают кромки на угол 90 градусов, затем на одном из листов кромку сваливают на плоскость листа, оставляя зазор 3 миллиметра. После этого листы соединяют между собой так, чтобы кромка одного из них входила в зазор между сваленной кромкой и плоскостью другого листа. Наконец фальц уплотняют и сваливают на поверхность первого листа.
      С помощью фальцевого соединения можно сделать н трубу, например, водосточную или самоварную. На противоположных кромках листа выполняют U-образные загибы, затем на оправке (трубе) лист сворачивают в цилиндрическую заготовку, сцепляют загибы и уплотняют их киянкой на оправке.
      Познакомившись с рубкой и гибкой металла, можно приступать к другим кузнечным операциям. Вытяжка — одна из самых часто применяемых операций. Заключается она в увеличении длины заготовки и уменьшении ее сечения. Давайте подвергнем вытяжке полосу квадратного сечения и получим из нее полосу прямоугольного сечения, оставив односторонний уступ исходного квадратного сечения. Работать будем вдвоем: я — мастер, Вы — молотобоец. Захватив заготовку клещами с угловыми губками, укладываю ее на наковальню. Намечаю на заготовке место, с которого будем производить вытяжку, для этого устанавливаю в это место молоток с заостренным бойком — перебивку. Теперь дело за Вами — легкими ударами молота Вы вгоняете перебивку в металл на глубину уступа. Затем устанавливаю в начале .уступа подбойку (молоток с закругленным бойком), а Вы начинаете наносить по ней сильные и частые удары, я при этом постепенно перемещаю подбойку от уступа к концу вытягиваемой части заготовки. Через каждые два-три удара переворачиваю заготовку на ребро и проковываю ребра легкими ударами — этим снимается уширение заготовки и обеспечивается ровная поверхность г ребер. Образовавшуюся волнистость вытянутой части заготовки устраняем с помощью молотка-гладилки.
      Увеличить ширину части заготовки можно с помощью операции разгонки. Так же, как и в предыдущем случае, намечаем подбойкой место начала разгонки. Затем на середину полосы вдоль нее накладываем подбойку и легкими ударами молота по подбойке оеущест-вляем разгонку полосы. В заключение отделываем волнистую поверхность гладилкой.
      Для пробивки в заготовке отверстий требуются два инструмента — пробойник и молот. Заготовку укладывают на наковальню так, чтобы пробиваемое место находилось над отверстием в наковальне. Затем кузнец, вертикально устанавливает пробойник, а молотобоец наносит по нему слабые удары молотом. После каждого удара мастер слегка поворачивает пробойник, чтобы он не заклинился в металле. После того как пробойник дойдет до середины толщины заготовки, его вынимают,, заготовку переворачивают, пробойник устанавливают напротив проделанного углубления и вгоняют его в металл, Тонкая перемычка металла проталкивается пробойником в отверстие наковальни.
      Бывая в музеях, Вы, наверное, не раз восхищались изяществом изделий старых мастеров-ювелиров: кубками, чашами, окладами икон, церковной утварью, различными украшениями. А рыцарские доспехи, сколько в них различных деталей сложной формы! Как им удавалось из листового металла выделывать такие затей-левые «фигуры»? Секрет этот хорошо известен и мастерам современным, тому доказательством может служить замечательное украшение Москвы скульптура В. Мухиной «Рабочий и колхозница». Она выполнена из листовой нержавеющей стали. Несколько позже мы расскажем о технике ее создания, а сейчас познакомимся со способом холодной обработки листового металла «выколоткой», или диффовкой. Заключается он в том, что под ударами молотка отдельные участки листовой заготовки вытягиваются, изгибаются, сжимаются. С помощью выколотки из листа можно получить полое объемное изделие сложной формы.
      Выколотку выполняют тремя приемами. Первый прием — расплющивание лежащей на наковальне заготовки ударами стального молотка, Если наносить удары на ограниченном участке заготовки, то ее толщина в том месте будет уменьшаться. Окружающие участки, которые не подвергаются расплющиванию, будут сдерживать течение металла — в результате сформируется сферическая поверхность.
      Прием второй (он нам уже знаком) — это гибка заготовки стальным или деревянным молотком на опоре,.
      «апример на ребре наковальни. При сгибании вогнутая сторона подвергается сжатию, а выпуклая — растяжению.
      И, наконец, третий, наиболее сложный прием заключается в осадке металла, то есть в утолщении участков заготовки. Сначала на заготовке формируют гофры, а затем эти гофры осаживают, (выводят) стальным или деревянным молотком на наковальне. Чтобы гофры при осадке не ложились друг на друга, образуя складки, их делают низкими и широкими. Гофры можно наносить обычными круглогубцами. Для выколотки применяют молотки из материала с меньшей, чем у обрабатываемого металла, твердостью: дерева (клен, самшит), текстолита, резины, меди, алюмщшя. Бойки молотков имеют различную форму — плоскую, выпуклую, изогнутую. Мастера, которые занимаются выколоткой художественных изделий, имеют несколько десятков молотков разной формы.
      Один из самых увлекательных видов художественной обработки металла давлением — чеканка. Заключается она в нанесении неглубокого рельефа на листовую заготовку с помощью сильного нажатия инструментом — чеканом. Применяют чеканку и для создания крупных работ (барельефов, панно), и для украшения ювелирных изделий. Чеканные изделия замечательно сочетаются с деревом, образуя красивые композиции. Наиболее широкое распространение чеканка получила я прикладном искусстве, то есть при изготовлении предметов быта, орудий труда и других предметов, несущих определенную практическую пользу: подносов, пепельниц, крышек для альбомов, неглубоких вазочек, блюд, лотков и т.п. Начинать, конечно, надо с самых простых предметов средней величины, но прежде следует приобрести навыки работы на простом листе металла.
      Для чеканки применяют пластичные металлы: медь й ее сплавы (латунь и томпак), алюминий и его сплавы (дуралюмин), сплавы никеля (мельхиор, нейзильбер),-малоуглеродистую отожженную сталь. Для первых уроков можно использовать жесть консервных банок. Наиболее пригодны для чеканки медь и ее сплавы, они отлично поддаются обработке, хорошо отжигаются. Толщину листа выбирают обычно в пределах 0,3 — 1,5 миллиметров, для крупных работ применяют и более толстый материал.
      Главный инструмент — чеканы и молотки. Чекан представляет собой стержень из металла или дерева с рабочей частью (бойком) различной формы. В зависимости от назначения применяют несколько видов чеканов, имеющих свое название. Чекан-раеходник служит для нанесения штрихов и линий, его боек имеет заостренную форму. Чекан-лощатник выглаживает поверхность металла, боек у него квадратный или прямоугольный. Для получения выпуклого рельефа применяют че-кан-бабошник с бойком эллипсоидной формы, а для получения сферического углубления — чекан-пурошник со сферическим бойком. Чекан-канфарник служат для пробивания мелких точек (операция канфарения — пробивка контура рисунка пунктирными линиями) и представляет собой иглу с притупленным концом. Применяют также и фигурные чеканы с более сложной формой бойка. Чеканы из дерева (дуба, бука, граба) служат для получения крупных глубоких рельефов, сами деревянные чеканы также значительно больше по размерам, чем чеканы металлические.
      Молотки делают из металла или дерева. Применяют их и для нанесения удара по чекану, и как самостоятельный чеканочный инструмент. Поэтому один боек молотка обычно имеет плоскую форму (для нанесения удара по чекану), а другой — выпуклую для выколотки углублений в металле. Желательно иметь несколько молотков разной массы, например 100, 200 и 400 граммов. Применяют также деревянные молотки из дерева твердых пород.
      Для резки листового металла потребуются ножницы (для листов толщиной до 0,4 миллиметра) и слесарная ножовка (для более толстых листов), с этой целью можно использовать и зубило.
      Для первой работы подберите несложный рисунок и изобразите его на листе бумаги в натуральную величину. Рисунок надо сделать в контуре, без теней с небольшими полями. Размер металлической пластины должен быть таким, чтобы вокруг рисунка оставались поля 30 — 40 миллиметров для крепления пластины иа смоле. Затем пластину выравнивают деревянным молотком и загибают ее края и углы. Получается коробочка с низкими наклонными стенками, которые будут прочно удерживать пластину на смоле при чеканке. Следующая операция — на смол ка пластины. Смола служит мягкой подложкой, обеспечивающей хорошую проработку металла и надежное крепление пластины. В качестве чеканочной смолы используют строительный битум или древесные смолы (ели, сосны) с добавлением различных наполнителей (мелкой земли, золы и т. п.). Битум или древесную смолу растапливают в котле, а затем добавляют до 70 процентов наполнителя, смесь тщательно размешивают и выливают в деревянный ящик (дно из фанеры, стенки из реек). Не давая смоле остынуть, берут подготовленную металлическую пластину и опускают ее в смолу отогнутыми бортами вниз. Эту операцию надо выполнить так, чтобы пластина плотно-прилегла к смоле всей поверхностью, не допуская попадания под пластину воздуха. Когда пластина остынет, можно приступать к перенесению на нее рисунка.
      На пластину накладывают лист копировальной бумаги, а сверху бумагу с рисунком. Затем твердым карандашом обводят контуры рисунка, в результате на пластине остаются следы от копирки. Чтобы сделать рисунок на пластине более контрастным, можно предварительно прокрасить пластину акварельными белилами. Для закрепления рисунка (чтобы он не стирался при работе) пластину покрывают нитролаком с помощью ватного тампона. Наиболее надежный способ закрепления рисунка — канфарение, то есть обводка контура рисунка рядами точек с помощью чекана-каифар-ника. Легкими ударами молотка по канфарнику пробивают пунктирные линии. Канфарник должен оставлять на металле неглубокую точку. Мелкие детали рисунка канфарят плотнее, крупные редким пунктиром. Соединяя точки в одну сплошную линию с помощью чекана-расходника, получают четкий рисунок, хорошо видный как с лицевой , так и с обратной стороны пластины. Разметку рисунка можно делать и при помощи гравирования, прочерчиванияштихелем линии рисунка на пластине. После разметки рисунка можно приступать к следующей операции — опусканию фона. Держа чекан-лощатник с некоторым наклоном в сторону рисунка и ударяя по нему молотком, осаживают те участки, где должны быть углубления (фон). Опусканием фона добиваются выявления рельефа над фоном. После этой операции металлическая пластина значительно упрочняется (наклепывается, нагартовывается), становится более твердой и упругой, менее пластичной. Для восстановления пластических свойств применяют отжиг (прокаливание) пластины (предварительно снимая со смолы с помощью молотка и зубила): нагревают ее газовой горелкой или паяльной лампой до темно-красного цвета, а затем охлаждают на воздухе. После отжига пластину отбеливают для удаления остатков сгоревшей смолы и других загрязнений. Медные и латунные пластины отбеливают в слабом растворе серной кислоты, а затем промывают теплой водой и просушивают в древТсных опилках или с помощью слабого нагрева.
      Если требуется дальнейший подъем рельефа, то отожженную и отбеленную пластину подвергают выколотке. Ее ведут с обратной стороны пластины, которую укладывают на мешок с песком или на лист резины. Выколоткой без смолы нельзя получить четкий рельеф, ее цель в другом — поднять рельеф в соответствии с рисунком, обозначить его общие формы. Если нужно получить фрагменты с острыми углами или гранями, их выколотку ведут на свинцовой пластине или деревянной доске. В ряде случаев выколотку завершают на смоле, то есть насмаливают пластину обратной стороной кверху по приведенной выше технологии и вычеканивают наиболее «тонкие» элементы рельефа.
      Завершив поднятие рельефа, пластину следует вторично отжечь и отбелить, после чего можно приступать к окончательной чеканке рельефа с лицевой стороны. Пластину насмаливают выпуклой (лицевой) стороной кверху, при этому смолу сначала заливают в полость рельефа, дают ей остыть, а затем пластину насмаливают на ящик, При окончательной чеканке добиваются детальной проработки деталей рельефа, наносят мелкие элемента (линии, точки), придают чеканной поверхности, если это нужно, различную фактуру: ячеистую, полосчатую, решетчатую. Главная цель этой работы — создание цельной законченной композиции. Для выполнения окончательной чеканки примеянют самые разнообразные чеканы.
      Последняя операция — отделка поверхности чеканного изделия. Операция эта необязательная, ее применяют для защиты изделия от окисления или чтобы придать ему цвет и блеск, имитирующие старую бронзу, серебро и т. п. С этой целью поверхность шлифуют, полируют, обрабатывают различными реактивами.

|||||||||||||||||||||||||||||||||
Распознавание текста книги с изображений (OCR) — творческая студия БК-МТГК.