На высоких скоростях

Современное производство, оснащенное новейшей техникой, требует комплексного решения целого ряда вопросов, в частности внедрения более совершенной технологии.

Технология комплексно-автоматизированного производства должна быть такова, чтобы можно было обеспечить быстрое и точное течение процесса и наиболее полно использовать исходные продукты - сырье и полуфабрикаты.

Ученые и инженеры неустанно разрабатывают все новые и новые прогрессивные технологические процессы обработки металлов. Рождение этих методов является отражением некоторых общих направлений развития науки и техники, и прежде всего изучения внутриатомных и внутриядерных процессов, проникновения в глубины материи.

Новые и новейшие методы обработки начинают успешно соперничать с традиционной металлообработкой.

Следует сказать, что эти новые методы применяются в основном в тех областях, где обычные резцы и штампы бессильны - при создании микроминиатюрных приборов и аппаратов, при обработке особо прочных и тугоплавких сплавов. Но область применения их с каждым годом все больше и больше расширяется.

Можем ли мы сказать, что наиболее распространенный сегодня метод обработки изделий - резание - и в дальнейшем будет основным технологическим процессом в условиях комплексной автоматизации? Не вытеснит ли его технология, создающая заданную форму деталей не удалением части металла, а путем его перемещения?

На эти вопросы можно ответить вполне определенно.

Несмотря на широкое внедрение в практику промышленного производства принципиально новых и эффективных методов обработки металлов, традиционные методы металлообработки все еще не утратили своего значения. Преображенные и рационально модернизированные, они еще долгое время будут служить техническому прогрессу.

Конечно, существенно изменятся конструкция и принцип работы металлообрабатывающего оборудования. Точное литье, штамповка, широкое применение пластмасс и других материалов, естественно, приведут к уменьшению доли грубых обдирочных работ и увеличению числа точных и тонких отделочных операций. Это, в свою очередь, отразится в дальнейшем и на конструкции станков, и на структуре их выпуска. Так, например, все время будет увеличиваться доля высокоточных прецизионных и отделочных станков. Современные станки должны обладать не только высокой производительностью, но и точностью, чистотой обработки.

Для повышения производительности оборудования решающее значение имеет увеличение скорости резания. И не случайно, работая над дальнейшим усовершенствованием традиционных методов обработки металла, ученые и конструкторы решают сегодня и неотложные практические вопросы, связанные с дальнейшим увеличением скоростей резания металла.

Материал инструмента должен быть более твердым, чем обрабатываемое изделие,- это один из принципов "классических" методов обработки металлов. Иначе говоря, если создан твердый сплав, сразу же возникает необходимость в создании сверхтвердого инструмента. Стойкость инструмента постоянно повышается благодаря применению новых материалов и улучшению геометрии самих резцов. А это, в свою очередь, позволяет увеличивать скорости резания.

Интересна эволюция этих процессов.

Переход от инструментальных сталей к быстрорежущим позволил повысить скорости резания в 2-2,5 раза. В результате внедрения металлокерамических и алмазных резцов был совершен новый резкий скачок в увеличении скоростей резания (в 6-8 раз). Но достигнут уже тот предел, когда дальнейшее увеличение скоростей резания наталкивается на целый ряд технических трудностей, и прежде всего на недостаточную стойкость резцов.

Практически установлено, что, например, при резании металла (стали) со скоростью 3500 метров в минуту стойкость резцов составляет около одной минуты. При скорости же резания 6000 метров в минуту стойкость резцов измеряется всего лишь одной - двумя секундами. В связи с этим возникает вопрос: можно ли и дальше увеличивать скорости резания металла? Не стало ли резание металла "узким местом" в технике? Нет, отвечают ученые.

Решая важную народнохозяйственную задачу повышения производительности оборудования и качества продукции, ученые стремятся прежде всего повысить стойкость резцов, фрез и сверл, удлинить пробег абразивных кругов.

Тот, кто имел дело со сверхпрочными и сверхтвердыми материалами и сплавами, знает, как трудно их обрабатывать. Во время обточки обычными резцами такие материалы трескаются, а края их скалываются, часто в брак идет половина изделий. Если же попытаться такие материалы обрабатывать на повышенных скоростях, то обычный резец мгновенно выходит из строя, не успев снять и первой стружки.

А вот деталь, изготовленная для сверхмощной турбины, которая во время работы испытывает особо большие нагрузки. Ни малейшего дефекта, ни зазубрин-ки, ни трещинки на ее поверхности. Как же удалось обработать эту деталь из сверхпрочного и сверхтвердого материала? Оказывается, она обрабатывалась на обычном станке, но алмазным инструментом. Он не только позволил преодолеть барьер твердости, но и обеспечил точность геометрической формы изделия до 0,1-0,2 микрометра.

Чудо природы - алмазы - прочно вошли сегодня в технику обработки новых сверхтвердых и сверхпрочных материалов. Они открыли неисчерпаемые возможности и для обработки изделий на высоких скоростях.

Особенно эффективен сегодня инструмент из синтетических алмазов, которые по основным своим характеристикам во многих отношениях превосходят свои аналоги из природных алмазов, поэтому и область их использования поистине безгранична. Особенно эффективны синтетические алмазы на таких операциях, как шлифование, супершлифование, притирка. Такой инструмент выгодно применять и при чистовой доводке трудно поддающихся обработке закаленных и специальных сталей, чугуна. В некоторых случаях он показывает стойкость в 100-200 раз большую, чем сделанный из быстрорежущей стали.

На часовых заводах с помощью синтетических алмазных кругов, порошков и паст различной зернистости изготавливают самые различные детали для приборов времени.

Замечательные результаты показывают синтетические алмазы и при обработке стекла. Имея исключительно большую твердость, они дают возможность достигать высокого качества при обработке поверхности стекла, вследствие чего намного повышается точность обработки отдельных деталей таких оптических приборов, как бинокли, фотоаппараты, кинокамеры.

Практика показала, что чем тверже и прочнее обрабатываемый материал, тем выше эффективность алмазного инструмента, который позволяет не только улучшить качество обработки изделий, но и в 5-10 раз повысить производительность оборудования.

Какой же сегодня предел увеличения скоростей резания металла? Чтобы дать правильный ответ на этот вопрос, ученые ведут широкие экспериментальные исследования. В процессе этих исследований они попутно выясняют и другие вопросы. Например, как ведет себя металл при сверхвысоких скоростях резания, какова при этом стойкость резцов, не подскочит ли до недопустимых пределов температура, что будет со стружкой? В процессе исследований находят ответы и на другие вопросы.

В металлообработке существует и тепловой барьер. Теплота при резании металла выделяется на крошечной площадке, где резец соприкасается с движущейся деталью.

Известно, что прочность материалов уменьшается при повышении температуры. Это неприятное, на первый взгляд, для конструкторов обстоятельство выгодно для технологов. Ведь если нагреть заготовку, ее прочность снизится и резцу не надо будет преодолевать сопротивление, оказываемое металлом. При температуре 500-550 градусов Цельсия прочность стали снижается вдвое. Это позволяет при допустимой температуре резца повысить скорость резания и увеличить стойкость инструмента.

Исследования Н. В. Галантова, М. И. Мостового и других советских инженеров показали, что при обработке нагретого металла усилие резания снижается в 4-5 раз, в 10-15 раз возрастает стойкость инструмента, в несколько раз повышается качество обрабатываемой поверхности, уменьшается и потребная мощность станков.

При обработке отверстий под головки болтов в очень прочной стали, содержащей 4 процента никеля и 3 процента молибдена, нагрев позволил вдвое поднять производительность, причем расход инструмента снизился в три раза.

Практика показала: в сверхскоростном резании - огромные резервы и увеличения стойкости инструмента, и повышения производительности .оборудования. Многочисленные эксперименты показали, что при сверхскоростном точении чугуна температура резания не повышается, а, наоборот, падает. Это открытие в дальнейшем позволило объяснить и многие другие "загадочные" явления, возникающие при сверхскоростном резании металла. Интересные экспериментальные работы по изучению физических явлений при сверхскоростном резании провели ученые Сибирского физико-технического института (СФТИ).

Изучая изменение механических свойств материала при сверхвысоких скоростях резания, сибирские ученые пришли к выводу о практической возможности обработки металла при скоростях резания в сотни метров в секунду. Ими же предложен новый, оригинальный сверхскоростной метод обработки металла. Суть его состоит в следующем. В обычный винтовочный патрон вместо пули вставлялась небольшая металлическая заготовка. Патрон с заготовкой вставлялся в патронник винтовки и... производился выстрел. Под воздействием пороховых газов заготовка выстреливалась со скоростью 700 метров в секунду. В отличие от пули заготовка при проведении эксперимента не вращалась (резьба в стволе винтовки была снята). Когда заготовка пролетала сквозь кольцо с закрепленными на нем резцами, последние успевали не только снять фаски, но и нарезать канавки и даже превратить заготовку в законченную деталь - шестеренку, пригодную для использования в конструкции машин.

В дальнейшем, совершенствуя свою экспериментальную установку, ученые сумели определить и энергию, которую теряет заготовка-пуля при полете сквозь "строй" резцов. Им удалось замерить также время и среднюю скорость резания.

Замеры позволили сделать интересные выводы, что при скоростях свыше 100 метров в секунду сопротивление резанию, например у алюминия, резко падает. Следовательно, обрабатывать его выгоднее всего на сверхвысоких скоростях.

Интересные данные получены и при экспериментальных исследованиях сверхскоростного резания титана.

Главный вывод, который был сделан учеными при многочисленных экспериментальных исследованиях, состоит в следующем: износ резцов при сверхскоростном резании значительно уменьшается. Например, при скорости 45 000 метров в минуту он составляет всего 1,5 процента от обычного. Этот вывод верен в основном только для труднообрабатываемых материалов, что же касается обычных сталей, то износа резцов вообще заметить не удалось.

При сверхскоростном резании металла обеспечивается высокое качество обрабатываемой поверхности. Это сегодня особенно важно, так как требования к чистоте обработки поверхности в современных условиях все время повышаются. Высоту неровностей обрабатываемой поверхности при сверхскоростном резании можно довести до сотых долей микрометра.

Следует сказать и еще об одной интересной особенности сверхскоростного резания. Варьируя режимы сверхскоростного резания, можно добиться значительного эффекта в упрочнении обрабатываемой поверхности детали. В этом случае резание как бы совмещается с упрочнением металла.

Безграничны при сверхскоростном резании и возможности повышения производительности станочного оборудования. Если при работе на обычных станках объем стружки, снимаемой в минуту, не превышает 0,5 кубического дециметра, то при сверхскоростном резании съем стружки с заготовки удалось увеличить до 100 кубических дециметров в минуту.

Выявляются все новые и новые положительные качества сверхскоростного резания. Так, отсутствие нагрева резцов позволит предотвратить тепловые деформации, которые при обычном резании снижают точность обработки и приводят к разрушению хрупких материалов. Это, в свою очередь, позволит избавиться от применения смазочных масел и охлаждающих эмульсий, загрязняющих помещения цехов и насыщающих вредными парами воздух.

Отсутствие нагрева резцов уменьшит и износ инструмента, сократит непроизводительные затраты времени на останов станков и смену инструмента. Снизится, естественно, и брак при обработке изделий.

Настало время, когда от экспериментальных исследований в области сверхскоростного резания необходимо смелее переходить к практическому его внедрению в производство. Новые принципы металлообработки - это и новые возможности повышения производительности, улучшения качества изделий, новые пути ее полной автоматизации.