CC BY
36виде характерных зон сферической формы. Особенности тонкого строения поверхностей пор проявляются при больших увеличениях. На снимках отчётливо наблюдаются характерные дендритные образования, типичные для литого состояния металлических материалов.
Вторым фактором охрупчивания, установленным в ходе исследований, является активное окисление корня шва. Это явление сопровождается ибразиванием хрупких окислов в зоне, незащищённой гелием от воздействия окислительной атмосферы. Для выявления роли этого фактора были проведены измерения микротвёрдости швов. Установлено, что характер изменения твёрдости в значительной степени зависит от скорости сварки. При скорости сварки до 3,5 м/ мин происходит существенное окисление корня сварного шва (рис. 4). Из представленной диаграммы видно, что микротвёрдость корня шва заметно повышается. Это косвенно свидетельствует об охрупчивании материала. При скорости сварки 3,5 м/мин и выше заметного окисления корня шва обнаружено не было.
Третий важный фактор охрупчивания сварных швов обусловлен легированием корня шва медью, пластина из которой была использована в качестве теплоотводящей подложки. Методом микрорентгеноспектрального анализа было установлено, что в корневой зоне сварного шва присутствует до 5 % меди, в то время как в исходном материале она отсутствует.
Таким образом, на основании проведенных исследований установлено, что основными причинами охрупчивания
т
Расстояние от поверхности, мкм
Рис. 4. Микротвердость сварного шва, полученного лазерной сваркой пластин из сплава 01420, при скорости перемещения пластин относительно луча, равной 2,5 м/мин
uidod, полученных при лазерной сварке пластин из сплава 01420, являются: высокая пористость шва, окисление корня шва, диффузия меди из подложки в сварной шов.
Список литературы
1. Рабкин Д.М., Игнатьев В.Г., Довбищенко И.В. Сварка алюминия и его сплавов: Курс лекций для специалистов - сварщиков - Киев: Наукова думка. - 1983. - 80 с.
2. Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н. Лазерная сварка металлов. - М.: Высшая школа. - 1988. - 208 с.
3. Забелин A.M., Оришич А.М, Чирков A.M.. Лазерные технологии машиностроения. - Новосибирск, - 2004. - 142 с.
История развития техники и технологии глубокого сверления
Н. И. ДЯТЧИН, доцент, канд. техн. наук, докторант, АлтГТУ, а. Барнаул
Изучение истории развития той или иной отрасли техники, оценка различных идей, изобретений и открытий на различных этапах этого развития, способствуют выработке критического отношения к современным техническим достижениям, их глубокому осмыслению и правильному пониманию. Овладение огромным, накопленным веками запасом знаний и опыта позволяет из множества возможных технических решений выделить наиболее значимые и перспективные для будущего, установить закономерности развития данной отрасли и техники в целом. Это в полной мере относится и к такой важной отрасли машиностроения, какой является обработка глубоких и точных отверстий [1].
Глубокое сверление развилось из обычного, неглубокого сверления, появившегося ещё в эпоху палеолита. С тех пор основными направлениями развития и совершенствования сверления являются- 1 — совершенствование конструкции инструмента и, прежде всего, его режущей части; 2 - изыскание наиболее подходящих инструментальных материалов и способов изготовление сверл; 3 -повышение производительности сверления за счет увеличения скорости резания и подачи; 4 - снижение энергозатрат на обработку отверстий; 5 - механизация, затем и автоматизация процесса обработки.
Проблема увеличения глубины сверления уже в ранний период решалась за счет применения двустороннего
сверления, что широко используется и в настоящее время. А снижение энергозатрат на единицу высверливаемого материала - использованием кольцевых сверл, изготоЕленных из трубчатых костей и бамбука. С течением времени процесс кольцевого сверления получил своё дальнейшее развитие и распространение [2].
В полном смысле глубокое сверление появилось во времена средневековья. Из летописных источников известно, что с 1480 г. в Нюрнберге на горизонтально-сверлиль-ном станке с приводом от водяного колеса высверливались деревянные водопроводные трубы длиной до 6 м в количестве до 15 стволов в день. При этом закрепленный на салазках ствол надвигался на сверло, вращение которому передавалось от водяного колеса через зубчатую (цевочную) передачу. Еще более совершенный горизонтально-сверлильный станок был изобретен Леонардо да Винчи примерно в 1500 г. и имел практически все элементы современного, но практически все механизмы и станина были выполнены из дерева.
Но самым мощным стимулом для развития глубиного сверления стали широкое распэостранение в Европе в ХУ в. огнестрельного оружия и потребность обработки каналов ружейных и пушечных стволов. С этого времени глубокое сверление превращается в узкоспециализированную область оружейного производства и все более засекречивается ю мере своего развития.
Ю № 4 (29) 2005
ТЕХНОЛОГИЯ
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
Первые станки для обработки каналов пушечных стволов были описаны в старинных немецких рукописях того времени. Чаще всего ствол ус_анавливался вертикально, а в его предварительно отлитый канал вводился инструмент, положение которого фиксировалось с помощью деревянной перекладины. Сверло представляло деревянный стебель (борштангу), на конце которой крепился стальной наконечник. С его помощью производилось расточка ка нала ствола, фактически состоящая в зачистке (соскабливании) неровностей на его поверхности при вращении ствола вручную или конной тягой.
Перзое печатное описание горизонтально-сверлильно-го станка для обработки каналов пушечных стволов, аналогичного по конструкции Нюрнбергскому, содержится в книге итальянского инженера и ученого В. Бирингуччо (1480-1539) «О пиротехнике», написанный в 1540 г. А в 1649 г. в Москве на р.Яуза было построено одно из первых в Ьвроге предприятий по обработке пушечных стволов под названием «ствольная мельница».
В то время чаще всего применялись станки деревянной конструкции вертикального исполнения, на которых обработка (зачистка предварительно отлитого канала ствола) осуществлялась по двум схемам: 1) вращающийся инструмент вводился (принудительно) в неподвижный стзол сверху; 2) вращающийся ствол подавался (под действием собственного веса) на неподвижный инструмент сверху. При этом каждый из способов имел вполне очевидные преимущества и недостатки. Но их общий недостаток состоял в сложности обслуживания таких станков с вертикальной компоновкой, от которой впоследствии практически полностью отказались и перешли на горизонтальную.
Настоящей революцией стало изобретение швейцарцем Ж. Морицем (старшим) метода сплошного глубокого сверления. В 1704 г. он просверлил насквозь заготовку (отгив-ку) пушечного ствола на вертикально-сверлильном станке собственной конструкции по 2-й схеме. А в 1740-х гг. его сын во Франции повторил эксперимент, применив для сверления ствола горизонтально-сверлильный станок усовершенствованной конструкции. Их опыт под названием «метода Морица» был обобщен Г. Монжем в 1794 г. в его книге, переведенной на русский язык 1804 г. [3]. Однако вследствие малой производительности, несовершенства конструкции сверла, его малой стойкости и низких режущих свойств инструментального материала «метод Мсри-ца» не получил тогда широкого распространения.
Со второй половины ХУШ в. начали появляться патенты и в области глубокого сверления. Так в 1774 г. был выдан патент, по которому охранялись права на высверливание отверстий в сплошных заготовках как в вертикальном, так и в горизонтальном положении [4]. А в 1793 г. появился обширный патент Бентама, в котором среди множества других инструментов были описаны и инструменты для сверления отверстий.
Значительный вклад в развитие технологии глубокого сверления внес А.К. Нартов (1693-1756) в период его работы в артиллерийском ведомстве, где он, в частности, применил метод кольцевого сверления в сплошных заготовках орудийных стволов, который, как и «метод Мсри-ца», был строго засекречен [5].
Изобретение спирального (винтового) сверла по гра-ву можно отнести к разряду наиболее выдающихся в технологии обработки отверстий. Кто был его первым изобретателем точно не установлено - такие изобретения по праву считаются интернациональными. А первое списание такого сверла («с червеобразными ходами») было
выполнено Динглингером в 1823 г. [6]. Фабричное производство спиральных сверл было налажено С.А. Морзе с 1864 г., а уже в 1367 г. они фигурировали среди других инструментов на Парижской всемирной выставке.
Универсальность, возможность многократной переточки, эффективный отвод стружки по винтовым канавкам при незначительной глубине отверстия обеспечили успех этому перспективному инструменту, а время конца XIX начала XX вв. стало эпохой массового производства и применения спиральных сверл. При этом решающим моментом можно считать создание в 1898 г. американскими инженерами Ф.У. Тейлором и Уайтом инструмен тальной «быстрорежущей стали» на вольфрамовой основе, что стало настоящей революцией в обработке материалов резанием.
Однако применительно к глубокому сверлению начали обнаруживаться и существенные недостатки спиральных сверл и, прежде всего, склонность к значительным «уводам» оси обрабатываемого отверстия и его отклонения от прямолинейности, малая жесткость на изгиб и кручение, а также неудовлетворительные условия охлаждения и отвода стружки. А между тем переход от гладкоствольного огнестрельного оружия к нарезному (винтовки стали появляться с конца XV в., а орудия с нарезным стволом с начала XVII в.) и требования дальности и точности стрельбы стали выставлять чрезвычайно жесткие условия к точности изготовления канала ствола по диаметру и прямолинейности, а потому они уже не могли изготавливаться тем же инструментом и на основании тех же принципов, что и при изготовлении гладкоствольного оружия.
Поэтому в 1884 г. швед Седестрем запатентовал конструкцию одноперего инструмента, которая и была положена в основу специального «пушечного сверла» [7]. Его особенностью было наличие одной режущей кромки, создающей неуравновешенную радиальную силу, прижимающую корпус сверла к стенкам обрабатываемого отверстия, благодаря чему обепечивапось его «самонаправление», надежное базирование, а также выглажизание обработанной поверхности в процессе трения корпуса о стенки.
Кроме того, необходимо было решить проблему охлаждения и смазки инструмента, а также надежного и бесперебойного удаления стружки, возникшую в связи с повышением скоэостей резания и необходимостью повышения производительности обработки. Это в наибольшей степени удалось англичанину Тарнтону, который в 1896 г. запатентовал привинчиваемую к пустотелому стеблю сверлильную головку, обеспечивающую внутренний подвод СОЖ и наружный пульпы (смеси СОЖ со стружкой) [8]. Она стала наиболее близким прототипом современного одно-кромочного (ружейного сверла), недостатком которого является ослабление стебля стружкоотводящими канавками, а также попадание стружки в зазор между корпусом инструмента и обрабатываемой поверхностью
Резкий рост производства огнестрельного оружия в годы Первой мировой войны обусловил чрезвычайно интенсивное развитие техники и технологии глубокого сверления. Быстрорежущая сталь стала основным инструментальным материалом. Но еще больший прогресс е области резания материалов, очередная революция были связаны с изобретением в 1930-х гг. металлокерамических твердых сплавов. С этого времени начали предприниматься настойчивые попытки оснащения глубокосверлильного инструмента этим перспективным материалом. Продолжалась и дальнейшая отработка конструкции ружейных и пушечных сверл.
№ 4 (29)2005 11
В 1937 г. Бюрсмюллером в Германии была предложена ( нем. патент №761138) сверлильная головка, навинчиваемая на трубчатый стебель кольцевого сечения [7]. В качестве охлаждающего средства использовался сжатый воздух, который подавался в зазор между стенкой отверстия и наружной поверхностью стебля, а за_ем вместе со стружкой выходил через его отверстие. Отвсд стружки облегчался благодаря вертикальному положению заготовки, при котором сверло подавалось снизу вверх. Однако этот метод не получил широкого распространения.
Независимо от этого сотрудник фирмы «Гербрюдер Геллер» доктор Байснер в 1942 г. создал аналогичную систему с внутренним отводом стружки (пульпы), создав усовершенствованную конструкцию твердосплавного инструмента (с одним режущим лезвием и двумя направляющими элементами) и применив в качестве СОЖ минеральное масло, которое подавалось между двумя трубами в стебле и через отверстия в головке при их горизонтальном расположении (нем. патент №848140). В 1939-40 гг. немецкая артиллерийская фирма «Рейнметалл-Борзинг» получила значительный экономический эффект и существенно снизила величину увода инструмента и кривизну обрабатываемого отверстия при его расточке твердосплавной головкой, применив встречное вращение детали и инструмента.
Необходимо отметить, что указанные патенты, как и все новое, что было связано с обработкой ружейных стволов, были засекречены и опубликованы лишь после окончания Второй мировой войны. Поэтому в СССР рэботы в этом направлении велись параллельно и автономно. В течение 1932-34 гг. производилось накопление опыта и систематизация данных отечественной и зарубежной практики, затем в 1934-37 гг. начали производиться экспериментальные работы в лаборатории резания и на производственных участках Московского машиностроительную заьида им. Фрунзе.
В 1937 г. при Главвоенпроме по инициативе И.С. Вере-мейчука была создана группа под общим руководством проф. Э.А. Сателя пэ централизованной разработке конструкций инструментов и режимов резания, созданию нормалей и выработке соответствующих инструкций. За короткий период в открытой печати был опу5ликован ряд книг [9-11 и др.], в которых отражался накопленный опыт, но в дальнейшем подобные работы в нашей стране стали засекречиваться.
А между тем времена тщательно оберегаемой автономии и секретности уже проходили, поскольку перспективные методы обработки глубоких и точных отверстий стали захватывать многие гражданские отрасли. Наметилось широкое сотрудничество между передовыми западными фирмами, которые по инициативе фирмы «Гербрюдер Геллер» (ФРГ) образовали международную ассоциацию БТА. Обобщив мировой опыт и взяв за основу патент Байснера, ассоциация проделала огромную работу по изучению процессов обработки глубоких отверстий, совершенствованию технологии, разработке высокопроизводительных конструкций станков и инструментов [12]. Результатом этого стал целый комплекс инструментов для сплошного и кольцевого сверления, растачивания и развертывания «инструментов БТА» с использованием принципа подвода СОЖ и отвода стружки «способа БТА», как у Байснера.
По другому пути пошла известная шведская фирма «Сандвик Коромант», которая разработала и в 1963 г. запатентовала (патент Швеции №13940) способ и инструмент для эжекторного сверления, пслучивший в настоящее время всеобщее признание и расгространение. По этому способу СОЖ, подаваемая под давлением в кольцевой зазор между борштангой и внутренней трубой, частично прокачивалась через отверстия в сверлильной головке, охлаждая и смазывая режущие и направляющие элементы, а частично перекачивалась через сопло типа Вентури во внутреннюю трубу, создавая вакуум в зоне резания и на выходе, за счет которого и осуществлялся отсос пульпы.
А к 1980 г. японская фирма «Никон якин» разработала систему глубокого сверления, в которой сочетались одновременно эффекты нагнетания и всасывания, т.е. были объединены метод БТА и эжекторный, что обеспечивало значительное улучшение отвода стружки, особенно важное при обработке глубоких отверстий малого диаметра. К тому времени внимание исследователей стал привлекать не только процесс резания, но и работа направляющих элементов, обеспечивающих важную функцию базирования, направления инструмента и выглаживания обработанной поверхности [13], а также и другие важные проблемы, возникающие в процессе обработки глубоких и точных отверстии - началась новая эра в истории развития глубокосверлильного инструмента.
Литература
1. Дятчин Н.И. Возможности, проблемы и перспективы применения инструментов одностороннего резания для обработки глубоких и точных отверстий // Повышение производства и качества продукции в условиях автоматизации машиностроительного производства: Тез. док. Научно-практической конф. - Барнаул, 1985. - С. 58-60.
2. Черничкин С.А. Кольцевое сверление и обработка глубоких отверстий. - М.: Машиностроение, 1964. - 240 с.
3. Виргинский B.C. Очерки истории науки и техники XVI-XIX в.: Пособие для учителя. М.: Просвещение, 1984. 287 с.
4. Дерри Т.К., Вильяме Т.А. Краткая история технологии с древнейших времен до 1900 г. - Оксфорд, 1960. 782 с.
5. Очерки истории техники в России (1861-1917). - М.: Наука, 1973. 404 с.
6. Флунке Ф. От каменного сверла до сверла спирального // Машиностроитель. - 1934. - №2. - с. 7-12.
7. Соги Т.. Сверление глубоких отверстий / Перевод ВЦП №68004/0 с япон. - М., 1971. - 31 с.
8. Шмидт X. Глубокое сверление - производительный метод обработки / Пер. ВЦП №55370/6 с немец. - М., 1970.
9. Веремейчук И.С. Сплошное сверление глубоких отверстий. - М.: Оборонгиз, 1940. - 256 с.
10. Арефьев М.Г., Карпов Л.И. Производство стволов стрелкового оружия. - М.: Обоэонгиз, 1945. - 227 с.
11. Потягайло М.В. Изготовление глубоких и точных от верстий. - М.-Л.: Машгиз, 1947. - 106 с.
12. Кожевников Д.В. Современная технология и инструмент для обработки глубоких отверстий. Обзор. - М.: НИИмаш, 1981.- 60 с.
13. Дятчин Н.И. Исследование работы направляющих элементов инструментов одностороннего резания, применяющихся для обработки отверстий. Канд. дисс. - Томск: ТПИ, 1980.- 192 с.
12 № 4 (29) 2005
