Вычислительное устройство, сделанное еще в Древнем Риме, состояло из зубчатых цилиндрических колес, валов и осей — деталей, которые не сделать без токарного станка. Так что токарному станку, получается, уже как минимум две тысячи лет. Не обойтись без него и сегодня. Загляните внутрь швейной машины, часов или автомобиля: вы увидите шкивы, шестерни, валы, оси. Большая их часть тоже изготовлена на токарном станке.
Но если бы пришелец с другой планеты присмотрелся к работе токаря, то мог бы решить, что цель работы — дым, стружки и грязь. И во многом оказался бы прав.
Токарные станки, как сказано, существуют давно, и, казалось бы, токари должны были давно овладеть работой на них в совершен стве. Но, увы, каждая действительно новая деталь и сегодня дается с немалым трудом.
Это связано с тем, что технический прогресс в производстве машин первым делом отражается на их деталях. Появляются более прочные материалы, стойкие к износу, высоким температурам. К тому же делать их нужно все точней и точней, да и побыстрей. И как только клубок новых требований обрушивается на головы технологов, им приходится решать множество противоречивых задач.
Основная их масса сосредоточена на кончике резца. Вот что происходит, когда резец, вгрызаясь в деталь, начинает снимать с нее стружку.
Прежде всего, он непрерывно раскалывает перед собой металл, создавая множество параллельных трещин, из которых затем формируется стружка. Заметить это во время работы станка можно лишь при помощи специального прибора. Однако, посмотрев на стружку под лупой, вы убедитесь, что это именно так: на ней множество крохотных трещин (рис. 1).
Сойдя с режущей кромки, стружка изгибается и ударяет в «тело» резца. В этом месте выделяется тепло. Оно составляет 80 % от мощности на валу станка. Не удивительно, что резец порою раскаляется докрасна и теряет прочность. Кроме того, мельчайшие, как порошок, раскаленные осколки стружки создают на резце наплыв, изменяя его форму и делая непригодным к работе.
Со всеми этими неприятностями борются много лет. В XIX веке резцы делали из твердого, как стекло, отбеленного чугуна. В XX веке, когда появились прочные стали, легированные никелем, хромом и марганцем, специально для их обработки создали сверхпрочные стали — с добавлением вольфрама и ванадия. Со временем процент железа в ней уменьшали, от чего она становилась все тверже, и, наконец, ее стали называть уже не сталью, а твердыми сплавами. Они крайне дороги. Поэтому на стальной резец припаивают лишь крохотную пластинку такого сплава.
Сверхтвердые сплавы могут работать, не тупясь, при температуре до тысячи градусов. Но при таком режиме нельзя получить высокой точности и гладкой поверхности. К тому же высокая температура уменьшает прочность детали, а раскаленная стружка попросту опасна для окружающих. Но токари еще исстари избегали перегрева, охлаждая резец. Поначалу это делали маслом. Но его требовалось все больше, а стоит оно недешево. Тогда стали применять эмульсии. Первоначально это были смеси масла, воды и мыла, а потом к ним стали добавлять и другие вещества. Постепенно в обиход металлообработчиков вошли смазочно-охлаждающие жидкости, или СОЖ.
Со временем стали замечать: СОЖ не только охлаждают и смазывают деталь, что естественно повышает производительность, но и как бы снижают прочность металла при ее обработке, не влияя на прочность готовой детали. Этот эффект зависел как от химических свойств металла, так и от состава самой жидкости.
Опытным путем установили, например, что СОЖ, помогающая в работе с легированной сталью, бесполезна при работе с чугуном и даже вредна при обработке алюминия.
Первое научное объяснение действия СОЖ на металлы дал советский ученый академик П.А.Ребиндер. Эти жидкости содержат в своем составе особые вещества, которые он называл «понизителями твердости». Попав в мельчайшую клиновидную трещинку на поверхности металла, молекулы веществ — понизителей твердости просачиваются внутрь, как вода в капилляр. При этом они давят на ее стенки с давлением до тысячи атмосфер, что приводит к дальнейшему расширению трещины, а значит, к снижению прочности металла (рис. 2).
На основе теории Ребиндера были созданы СОЖ, уменьшающие нагрузку на резец, охлаждающие его и ускоряющие скорость резания металла. Казалось бы, в принципе проблемы резания металла решены. Но…
В токарном цехе большого завода можно было видеть такую картину. Вращается деталь. На резец течет струя мутно-белой СОЖ. Эта жидкость уносит образующиеся при работе стружки сначала в канавку на бетонном полу. Эта и другие канавки впадают в большие канавы, несущие стружки вдоль цеха. Где-то в конце стружки собирают, отделяют от них СОЖ и возвращают ее обратно на резцы станков, а стружки прессуют и отправляют на переплавку.
Мельчайшие брызги СОЖ, постоянно носящиеся в воздухе цеха, у многих вызывают аллергию. Люди отказывались от работы с ее применением. Не помогает ни защитная одежда, ни усиленная вентиляция.
Были созданы станки-роботы, находящиеся в закрытой капсуле и действующие без прикосновения рук человека. Это значительно улучшило экологическую обстановку в цехах. Но такие станки можно применять далеко не всегда, а кроме того, СОЖ осталась. И как выяснилось, это далеко не безвредное вещество так или иначе в результате случайных утечек все же попадает в окружающую среду.
Можно ли заменить СОЖ чем-то безвредным? В цехе любого завода есть множество агрегатов, приводимых в действие сжатым воздухом. Еще в начале 80-х годов прошлого века его попытались применить для охлаждения резца. Для этого возле резца установили сопло, которое направляло на него мощную струю воздуха. Скорость в ней была близка к скорости звука, и потому она издавала оглушительный шум. С этим можно было бы мириться: существуют специальные противошумовые наушники.
Но оставался главный недостаток такого охлаждения — чрезмерно большой расход воздуха.
Чтобы снизить его, попробовали ионизировать воздух при помощи электрического разряда. Такой воздух химически более активен, потому была надежда, что с его помощью можно подействовать на свойства обрабатываемого металла. На такую возможность в принципе указывали и исследования Ребиндера.
Опыты доказали верность решения. Но ионизация требовала опасно высокого напряжения. Оставался большим расход воздуха. К тому же в воздухе появлялся озон. Он полезен в малых количествах и вреден в больших.
И все же идею удалось, как говорится, довести до ума. В Московском государственном технологическом университете СТАНКИН мне показали озонатор, его главная часть — металлическая трубка. По ее оси проходит высоковольтный провод, на него подано напряжение 12 000 В переменного тока с частотой 1000 Гц. Транзисторный источник высокого напряжения потребляет мощность около 70 Вт. Это и есть ионизатор. Разработали его кандидаты наук Е.Чекалова и В.Турин. Корпус ионизатора заземлен на массу станка, поэтому поражение работающего электричеством исключено. Воздух, входящий в ионизатор, завихряется и движется, вращаясь вокруг высоковольтного провода. Благодаря этому воздух, прежде чем достичь выхода, проходит путь, намного превышающий длину ионизатора. За это время он успевает многократно подвергнуться действию электрических разрядов.
При обработке твердой конструкционной стали марки 45 этот метод помог получить высокую скорость резания и очень низкий износ резца. Чем объясняется этот успех?
Специалисты применяли воздух низкого давления — всего одна атм. Благодаря этому, содержащиеся в нем озон и ионы успевали полностью прореагировать с поверхностью металла. Это приводило прежде всего к снижению прочности металла, а также к уменьшению трения между стружкой и резцом. Все это и устранило основные причины для выделения тепла. Так ученые из СТАНКИНа сделали стружку холодной, совсем ее и не охлаждая. А экологическая экспертиза установила, что в воздухе, прошедшем мимо резца, ионы и следы озона содержатся в ничтожных количествах.
Так что если к нам и в самом деле через какое-то время залетят инопланетяне, им будет легче понять, чем же на самом деле занят токарь. При обработке обычных машиностроительных сталей с весьма умеренной скоростью резания 50 — 100 метров в минуту (0,8–1,7 м/с) может выделяться тепловая мощность около 1,5–3 кВт на мм2 поверхности режущей кромки резца. Большая ее часть, 75 % — уходит в стружку, 20 % — нагревает резец, 4 % — нагревает деталь, 1 % — уходит в окружающий воздух.
А что будет, если скорость значительно увеличить?
В конце 40-х годов в Томском политехническом институте попытались найти предел скорости резанья. Постепенно увеличивая ее, сначала получили стружку, раскаленную докрасна. Дойдя до скорости резания в 4000 метров в минуту (это примерно в 100 раз больше обычной), заметили на стружке признаки оплавления. Что не удивительно. Плотность потока энергии могла достигать 100 кВт/мм2 — почти как в пятне хорошего лазера!
Но эти рекордные цифры относятся к чистому резанию. У обычного же токаря, делающего штучные детали, много времени уходит на отладку режима, измерения размеров и смену деталей. Стократное увеличение скорости привело бы к сокращению времени на изготовление детали лишь в два-три раза. Зато прибавилось бы хлопот с раскаленной стружкой и резким ускорением износа станка и резца.
Правда, среди токарей встречаются «олимпийские чемпионы». Полвека назад ленинградский токарь Генрих Борткевич работал со скоростью резания 1000 метров в минуту. Ему дали Сталинскую премию, ставили всем в пример. Но сравняться с ним смогли лишь немногие.
А изыскания в области высоких скоростей резания даром не пропали. Столь быстро смогли работать станки-автоматы. Здесь все вспомогательные операции выполняются без участия рук человека, и сверхвысокие скорости резания заметно повышают производительность.
А.ИЛЬИН
Рисунки автора
* * *
ДОРОГИЕ ДРУЗЬЯ!
Если вы решите выписать «Юный техник» на II полугодие, напоминаем: подписная кампания завершается 10 июня. При желании вы можете воспользоваться купоном, напечатанным ниже, вписав туда количество номеров (с 7 по 12), свою фамилию, адрес и индекс «ЮТ».
При подписке по каталогу агентства «Роспечать» индекс журнала — 71122, в Объединенном каталоге «Пресса России» наш индекс — 43133. Надеемся на встречи в новом полугодии.
