Работает сверхдавление

Наиболее распространенными методами обработки металлов, пластических масс и других материалов принято сегодня считать обработку давлением - прессование, выдавливание, вытяжку. Эти методы прочно вошли в производственную практику промышленных предприятий. С их помощью изготавливают кузова автомашин, резервуары для химической и нефтяной промышленности, профили различных сечений, гладкие и ребристые трубы, кабели и многие другие изделия из алюминиевых, медных сплавов и других материалов.

Хотя эти методы и нашли широкое применение, они обладают существенными недостатками: требуют сложного и дорогостоящего оборудования. Ведь пресс большой мощности - это огромное сооружение высотой в многоэтажный дом. Матрицы, пуансоны и другое сменное оборудование, без которого не обойтись в прессовом хозяйстве, настолько громоздки, что требуют специальных помещений для хранения.

При прессовании на таких прессах заготовку помещают в контейнер - цилиндр с прочными стенками. В передней части контейнера имеется коническое отверстие - матрица, задней стенки у контейнера нет. Ее заменяет подвижный массивный поршень - пресс-штемпель, изготовленный из сверхпрочной стали.

Рабочий нажимает кнопку. Огромный пресс с неимоверной силой давит на пресс-штемпель. Пресс-штемпель медленно ползет йниз, вытесняя металл из контейнера. Через фигурное отверстие матрицы, принимая его форму, начинает выползать заготовка. Скорость ее движения не превышает нескольких миллиметров в секунду. При большей же скорости начинают рваться наружные волокна заготовки. Так текут и алюминий, и легкие сплавы, и медь, и даже сталь. А вот вольфрам и многие другие труднодеформируемые материалы не текут.

Хрупкие материалы очень плохо работают на сжатие. И практически не выносят нагрузок, которые приводят к появлению растягивающих напряжений. А все известные до последнего времени способы обработки давлением не позволяли избавиться от растяжения, хотя бы местного. Даже наивыгоднейший с этой точки зрения процесс - прессование - не давал эффекта.

А нельзя ли организовать процесс прессования любых изделий, в том числе и самых твердых и хрупких, без сложного и громоздкого оборудования? Оказывается, можно! За последние годы создан целый ряд новых высокоэффективных способов обработки металла давлением, в том числе и метод гидропрессования.

Долгое время внимательно присматриваясь к воде, ученые пришли к выводу, что она может стать могучим помощником технического прогресса. Шаг за шагом шли они к такому выводу. Оказалось, что вода под давлением 1,5-2,0 мегапаскаля легко врезается в угольные пласты. При 40 мегапаскалях она режет прочнейшие горные породы - граниты и базальты. Давление в несколько сот гектопаскалей превращает струйку воды в незгибаемое лезвие, просекающее листы из самой твердой стали. При помощи воды можно получить и колоссальные давления. Оказывается, с ее помощью можно прессовать такие сверхпрочные материалы, как молибден и вольфрам, которые предельно хрупки: достаточно легкого удара, чтобы вольфрамовый пруток, например, раскололся, словно стеклянная палочка. Конечно, ни о какой обработке такого материала давлением - ковке, штамповке или прессовании - не может быть и речи.

Положение казалось почти безнадежным. Столь необходимые для постройки атомных реакторов, создания микроминиатюрных электронных приборов и других ответственных изделий материалы, такие, например, как молибден и вольфрам, не могли быть использованы из-за крайней сложности их обработки. И вот ученые решили отказаться от классических штампов и пуансонов и доверили воде то, что оказалось не под силу лучшим сталям.

"Вторая жизнь" прессования началась тогда, когда ученые, проведя многочисленные эксперименты, решили заменить стальной штемпель водой. У контейнера теперь не стало пуансона. С одной стороны он закрыт плитой с матрицей, а с другой - сплошным днищем. В контейнер закачивают воду. Она давит во все стороны, в том числе и на заготовку. Но при этом вода не прижимает заготовку к стенкам контейнера, и металл о них не трется. Больше того, между очком матрицы и металлом оказывается тончайшая жидкостная пленка, которая снимает неизбежные при трении напряжения растяжения. А раз нет напряжения, то, следовательно, с помощью воды можно прессовать самые хрупкие металлы.

Это было подтверждено экспериментами, которые провели ученые Всесоюзного ордена Ленина научно-исследовательского и проектно-конструкторского института металлургического машиностроения (ВНИИметмаш). Здесь и родился промышленный способ обработки материалов с помощью воды. Во ВНИИметмаше были разработаны и источники высоких давлений (до 20 гектопаскалей). Это были уже не компрессоры, приводимые в действие электродвигателями, а своеобразные умножители давления (мультипликаторы). В них жидкость низкого давления, подаваемая в одну полость цилиндра, создает в другой его полости давление, в десятки раз более высокое.

Помимо проблемы получения источников давления, которая была решена сравнительно быстро, ученые столкнулись и с другими, более серьезными и трудными задачами. Одна из них - создание прочных контейнеров. При малых размерах внутренней полости экспериментальных контейнеров их прочность была достаточной. Простое увеличение толщины стенок контейнера не решало проблемы. После достижения определенных размеров дальнейшее утолщение контейнера оказывалось практически бесполезным. Ученым и инженерам пришлось пойти на всевозможные ухищрения. Контейнеры стали делать составными, многослойными. Словно стволы артиллерийских орудий, их изготовляли по определенной технологии, напрессовывая одну "рубашку" из прочнейшей стали на другую.

Были решены и другие не менее сложные проблемы. В частности, найден способ, как "запереть" контейнер. Решение этих и других проблем открыло путь высоким давлениям в промышленности. Положено начало новой отрасли - использованию жидкости высоких давлений для обработки материалов. И не просто материалов, а именно тех, перед которыми отступали все имеющиеся в арсенале машиностроителей классические способы.

Сегодня и обычные конструкционные материалы значительно выгоднее обрабатывать не на обычных горизонтальных прессах, а на новых установках - гидропрессах. Трение о стенки контейнера и матрицу является вредным даже для таких сравнительно "мягких" материалов, как алюминиевые сплавы. Трение не только резко увеличивает усилие, которое должен развивать пресс (часто потери на трение превышают полезное усилие, необходимое для самого процесса деформирования), но и нередко приводит к разрыву наружных слоев изделия, образуя на нем так называемый "ерш". Чтобы избежать этого, как мы уже говорили, приходится вести процесс прессования очень медленно - со скоростью всего нескольких миллиметров в минуту.

При гидропрессовании процесс идет совершенно иначе. Вначале, пока давление в контейнере мало, течения металла нет. Когда же давление достигает определенной величины, происходит своеобразный "выстрел" - заготовка пулей вылетает из контейнера. И действительно, опрессованное изделие движется со скоростью несколько сотен метров в секунду, т. е. в десятки тысяч раз быстрее, чем при обычном прессовании.

Сегодня гидропрессованием получают не только простейшие прутки, к чему стремились на первых порах, но и изделия самой сложной формы. Успешно прессуются, например, шестерни. Делается это быстро и за один прием. Для этого матрице придают форму шестерни. Включается мультипликатор - и буквально через несколько секунд из контейнера вылетает длинная, в несколько метров, "шестерня", которую остается только нарезать.

Ученые открыли и еще одну область использования жидкости высокого давления. Речь идет о прессовании порошков. Известно, что методы порошковой металлургии весьма эффективны и имеют большую перспективу. Сегодня этими методами получают и твердые сплавы, и ответственные изделия, работающие при очень высоких температурах, и сплавы для полупроводниковых приборов и других изделий. Но до последнего времени не удавалось получить порошковых изделий, имеющих одинаковые структуру и свойства по всем направлениям.

При прессовании из порошка, например, самого простейшего изделия - гладкого цилиндра - используется цилиндрический контейнер, который заполняется порошком. Затем, вдавливая с обеих сторон пуансоны, порошок прессуют. После такого прессования происходит интенсивное уплотнение материала только в непосредственной близости к пуансонам, к торцам цилиндра. А дальше "вмешиваются" силы трения. И усилие, с которым давит пуансон, будет гаситься этими силами. Чем дальше от пуансона, тем более рыхлой окажется заготовка. Больше того, при таком прессовании порошок уплотняется только "вдоль оси". В поперечном же направлении стенки пресс-формы (контейнера) вообще не смещаются.

Ученые ВНИИметмаша предложили использовать для прессования порошков гидростатические давления в несколько сот гектопаскалей. Результаты превзошли все ожидания. Была полностью решена проблема изотропности. Свойства спрессованных заготовок почти идеальны. Обеспечивается это благодаря тому, что жидкость давит на порошок равномерно со всех сторон.

Гидропрессование изделий из порошков имеет и еще одно преимущество. Этот процесс не требует таких огромных установок, как при обычном прессовании. Вся установка состоит из контейнера и мультипликатора, подающего жидкость под высоким давлением.

Дальнейшее совершенствование процесса гидропрессования показало, что его можно успешно использовать для прессования изделий практически любой длины. А это имеет исключительно большое значение, например, для электрификации страны. Открываются возможности соединять воедино сталь и алюминий, получать простым способом биметаллический провод. Для этого в контейнер помещают свернутую в спираль алюминиевую трубку со стальным сердечником и включают насос. Под действием давления алюминий и сталь выпрессовываются одинаково, образуя одновременно прочное соединение друг с другом. Таким способом можно получать провода практически неограниченной длины.

Такой новый метод обработки металлов назван гидроэкструзией. Этот метод значительно расширяет технологические возможности, позволяет обрабатывать любые металлы, которые не поддавались обычным методам.

Гидроэкструзия - исключительно экономичный метод.

Если металлорежущие станки миллионы тонн металла ежегодно перегоняют в стружку, то высокие давления, заменившие резцы и штампы, практически без потерь превращают неподатливый металл в нужное изделие с высокими скоростью и точностью.

В заключение хотелось бы остановиться еще на одном методе обработки металлов с помощью воды, который получает все большее распространение в промышленности. Этот метод основан на свойстве воды расширяться при замерзании. На этом физическом явлении строится работа "ледяных штампов". Такие штампы работают следующим образом. Лист металла помещают над матрицей заданной формы, сверху закрепляют болтами выпуклую крышку, под которую наливается вода. Вся конструкция замораживается, вода превращается в лед, и, расширяясь при этом, действует как мощный поршень и вдавливает металлический лист в матрицу.

По такой технологии изготавливают детали из особо прочных сплавов, плохо поддающихся обычной штамповке.