Энергетика и промышленность России - избранные материалы.
ВЫПУСК 113.

Новый метод формообразования

В МГТУ им. Н.Э. Баумана ведутся исследования нового метода формообразования, основой которого являются одновременно как процесс резания, так и пластического деформирования. Метод получил название "Деформирующее резание" (ДР). Этот термин отражает те два процесса, которые являются необходимыми для его осуществления. Метод деформирующего резания и инструмент для его реализации запатентованы в России, на Украине, в США и восьми странах Европы. Метод дважды удостаивался золотых медалей и дипломов выставки и салона изобретений в Брюсселе и Женеве.

При работе обычного токарного резца разрушение припуска происходит по линиям проекций как главной, так и вспомогательной режущих кромок. Основное отличие резца для ДР состоит в том, что инструмент имеет вспомогательную кромку, на которой исключен процесс резания. Это достигается назначением передних углов на вспомогательной кромке менее -500. При работе таким инструментом происходит разрушение материала по линии проекции главной режущей кромки, а по линии проекции вспомогательной кромки разрушения не происходит. Стружка по своей узкой стороне остается прикрепленной к детали. Сечение подрезанного слоя сохраняет механическую связь с обрабатываемой заготовкой, что и позволяет направленно деформировать подрезанный слой с образованием ребра. Совокупность ребер формирует на поверхности детали развитый макрорельеф в виде оребрения.

На осуществимость процесса ДР в наибольшей степени влияют пластичность обрабатываемого материала и соотношение глубины резания и подачи. Для материалов с относительным удлинением более 30%, к которым относятся большинство цветных металлов, высота ребер может составлять до 7 шагов оребрения. Для материалов с относительным удлинением в диапазоне 20...30%, к которым относятся большинство сталей, максимальная высота ребер составляет 3...5 шагов оребрения. Материалы с относительным удлинением менее 18% не поддаются обработке деформирующим резанием без дополнительного подогрева детали или зоны обработки. Твердость материала детали не должна превышать HB220. Площадь поверхности детали в результате обработки методом ДР может быть увеличена в 14 раз.

Деформирующее резание реализуется на обычных металлорежущих станках, в том числе с ЧПУ: при обработке цилиндрических и торцовых поверхностей - на токарных, при обработке плоскостей - на фрезерных или строгальных. Смазочно-охлаждающие жидкости не используются. Расчет основного технологического времени на формирование оребрения производится аналогично расчету для операций механической обработки.

Использование токарных станков позволяет легко перенастраиваться для получения оребрения различной высоты с шагом от 0,2 до 3 мм на заготовках диаметром от 6 мм. Диаметр заготовки длиной больше величины хода продольного суппорта ограничивается внутренним диаметром шпинделя станка. Обработка длинномерных заготовок производится участками с перезакреплением заготовки. Обязательно использование подвижного люнета. Методом ДР возможно получение макрорельефа в виде шипов. Для этого на поверхности трубной заготовки перед ДР накатываются рифления накатным роликом, установленным перед резцом на подвижном люнете.

Очевидно, что развитые поверхности, получаемые методом ДР, в первую очередь перспективны для изготовления деталей теплообменников, поскольку увеличение их площади поверхности интенсифицирует теплообменные процессы и позволяет снижать габариты и вес теплообменной аппаратуры. В настоящее время весьма ограничены методы получения мелкошагового оребрения (менее 1 мм) большой высоты, которое наиболее эффективно для теплообменных процессов на основе фазовых переходов. Метод ДР обеспечивает получение таких марорельефов с развитием площади поверхности до 14 раз.

Для промышленного использования предлагаемого метода при крупнотоннажном производстве оребренных труб теплообменного назначения необходимо обеспечение большой производительности. Теплообменные трубы имеют длину до 6 метров. Оребрение труб по методу ДР на обычных токарных станках не обеспечивает производительности более 1 метра оребренной трубы в минуту, поскольку существуют ограничения на скорость вращения длинной трубной заготовки. Для оребрения длинномерных труб разработана специализированная установка оребрения труб. Была использована кинематическая схема с перемещающейся вдоль оси трубной заготовкой и тремя инструментами для ДР, вращающимся вокруг нее. Производительность установки при шаге оребрения 0,75 мм составила 4 погонных метра оребренной трубы в минуту.

По результатам теплофизических испытаний установлены оптимальные параметры рельефа при кипении и конденсации хладонов. При этих параметрах оребрения как в режиме кипения, так и конденсации выявлено увеличение коэффициента тепловой эффективности на 35...50% для труб, оребренных по методу ДР, по сравнению с трубами, оребренными методом накатки роликами. Снижение металлоемкости по меди на 28%, при одновременном снижении габаритов на 13% и гидравлического сопротивления на 27% по сравнению с трубами, оребренными накаткой роликами доказано производственными испытаниями теплообменных труб.

Разработана также технология изготовления змеевиковых радиаторов из оребренных по методу ДР труб. Высокое оребрение на трубах выполняет роль бандажа, что позволяет навивать такие трубы непосредственно на токарном станке с радиусом навивки, составляющим всего три диаметра трубы.

Общая тепловая эффективность теплообменных труб зависит от теплоотдачи не только наружной, но и внутренней поверхности теплообменной трубы. В настоящее время практически не существует методов развития внутренней поверхности труб. Нами апробирована такая возможность при получении внутреннего макрорельефа на трубах из меди и медных сплавов внутренним диаметром от 14 мм и длиной 3 метра.

При проектировании теплообменных аппаратов ориентация на известные прототипы не может привести к качественному повышению их эксплуатационных характеристик. Метод ДР позволил реализовать конструкцию микрощелевого теплообменника. Оба контура теплообменника содержат по 400 щелевых микроканалов сечением 0,5х4 мм и длиной 70 мм. Разбивка теплоносителей на множество параллельных микропотоков обеспечивает высокую тепловую эффективность теплообменника при его низком гидравлическом сопротивлении. Цилиндрический корпус обеспечивает возможность работы с большими давлениями теплоносителей. По коэффициенту компактности (отношение площади теплообменной поверхности к габаритам) данный тип теплообменников превосходит известные.

Выглаживание вершин полученной оребренной структуры позволяет получать герметичный слой, т.е. имеется возможность получения подповерхностных микроканалов. Пластины с внутренними каналами могут быть использованы как охлаждающие или термостабилизирующие для элементов радиоэлектронной аппаратуры.

Обработка тонколистовых заготовок позволяет получить макрорельеф, обладающий капиллярным эффектом. Апробировано получение микрорельефов с шириной межреберного зазора от 10 мкм. Такие капиллярные листы могут быть использованы для изготовления тепловых труб.

Новым подходом при создании износостойких покрытий большой толщины с управляемой структурой и свойствами является использование макрорельефа, получаемого методом ДР при его последующем диффузионном легировании. Основой при получении покрытий является макрорельеф с глубокими и узкими межреберными зазорами, шириной от нуля до 150 мкм. Межреберные зазоры при последующей химико-термической обработке позволяют ускорить в десятки раз проникновение легирующих элементов в глубь поверхности, после чего происходит твердотельное диффузионное легирование боковых сторон ребер. Становится возможным получать диффузионные покрытия большой толщины, поскольку толщина покрытия определяется глубиной макрорельефа. Даже границы раздела между ребрами с плотной упаковкой, т.е. когда ширина канавки равна нулю, обеспечивают ускоренный доступ легирующих элементов к боковым сторонам ребер.

Обоснована возможность получения покрытий четырех различных типов толщиной до 1,5 мм за счет изменения толщины ребер, ширины межреберного зазора и толщины диффузионного слоя.

Покрытия с наличием тонкой прослойки исходного пластичного материала в сердцевине ребра способны работать как упрочняющие при динамических нагрузках, поскольку неупрочненная сердцевина ребра выполняет роль пластичной матрицы для твердых износостойких слоев боковых сторон ребра.

При использовании пористых покрытий остаточная пористость в виде щелей, выходящих на поверхность детали трения, служит объёмом для удержания жидкой смазки и сбора продуктов износа. Апробировано также получение самосмазывающихся покрытий, которые получены путем заполнения межреберных зазоров твердыми смазками на основе дисульфида молибдена, фторопласта и антифрикционных сплавов. Вертикальные слои твердой смазки, выходящие на поверхность трения, обеспечивают равномерное распределение смазки по площади контакта, а также постоянное ее наличие, даже по мере износа покрытия.

Триботехнические испытания разработанных покрытий в ИМАШ РАН и НПО "НИИТАВТОПРОМ" показали, что по относительной и абсолютной износостойкости предлагаемые покрытия превосходят традиционные диффузионные в 1,5...3,0 раза, а склонность к образованию задиров уменьшается в 2,2...3,2 раза.

Поскольку при деформирующем резании происходит увеличение размеров после обработки, предлагается его использование для восстановления размеров изношенных деталей машин как самостоятельный технологический прием. Размеры детали увеличиваются до 0,8 мм на диаметр за счет перераспределения материала поверхностного слоя с созданием открытой регулярной пористости в виде узких глубоких канавок.

Поверхностная пористость на детали в большинстве случаев является негативным явлением, т.к. уменьшает несущую способность поверхности, однако материал ребер, так же как и обычной стружки, значительно упрочнен и имеет твердость и прочность в 1,5...2 раза большую по сравнению с основным материалом, поэтому уменьшение несущей способности поверхности восстановленной детали компенсируется более высокими механическими характеристиками материала ребер. В некоторых случаях регулярная открытая поверхностная пористость может служить положительным фактором, например для удержания жидких или твердых смазок.

Если поверхностная пористость недопустима по условиям эксплуатации восстановленной детали, то ее возможно устранить выглаживанием, электроискровым легированием, запрессовкой полимерных или металлических материалов.

При восстановлении изношенных поверхностей с большими величинами износа целесообразно применение ремонтных составов на основе металло- или керамиконаполненных полимерных компаундов. При нанесении ремонтных составов на поверхность, подготовленную методом ДР, зафиксировано 30%-ное повышение предельных сдвиговых нагрузок, выдерживаемых покрытием, по сравнению со штатной технологией их нанесения.

Апробировано использование метода деформирующего резания для подготовки поверхностей под последующее нанесение газотермических покрытий и ремонтных металлополимерных составов. Макрорельеф, получаемый ДР, имеет не только развитую поверхность, но и позволяет реализовать анкерный (замковый) эффект удержания наносимого покрытия, например за счет наклонных ребер. Реализовано получение керамических покрытий плазменным напылением из окиси алюминия и твердосплавных покрытий с использованием метода сверхзвукового газопламенного напыления.

На наш взгляд, макрорельеф, полученный ДР, может быть также перспективен для подготовки деталей под склеивание, гуммирование, эмалирование, диффузионную сварку и пайку.

Методом ДР возможно получение оребрения с очень узкими (единицы микрометров) канавками между ребрами. Это позволило предложить ряд новых конструкторско-технологических решений использования метода ДР при получении щелевых фильтрующих структур из металлических и полимерных заготовок. При получении металлических сеток в качестве заготовок предлагается использовать металлический лист толщиной 0,2...0,5 мм. Лист обрабатывается методом ДР с двух сторон с образованием микрооребрения, причем оребрение со второй стороны производится перпендикулярно или под углом к направлению ребер с первой стороны. Глубину резания при оребрении обеих сторон листа назначают больше половины его толщины, что обеспечивает соединение межреберных зазоров на противоположных сторонах листа. На токарном станке методом ДР из медных, алюминиевых, титановых, серебряных и др. листов получены образцы сеток с квадратной и ромбической ячейкой от 15 мкм и выше при толщине сеток 0,3...0,6 мм.

Щелевые фильтры были получены методом ДР из полимерных (фторопласт, полиэтилен, полипропилен) и металлических трубных заготовок. Использовалось сквозное прорезание стенки трубы с формированием сквозных щелей шириной от 15 до 300 мкм. Для получения полимерных фильтрующих труб могут использоваться как стандартные трубные заготовки, так и заготовки с внутренними продольными пазами, что более предпочтительно. Такие простые фильтры могут использоваться в системах водоочистки, дренажа, аэрации жидкостей и сепарации порошков. Важнейшим преимуществом фильтрующих структур щелевого типа является возможность их очистки противотоком фильтруемой среды. Фильтрующие металлические трубы отличает их способность выдерживать большие давления фильтрации.

Н.Н. Зубков,
доктор технических наук,
начачальник лаборатории НИИКМ и ТП МГТУ им. Н.Э. Баумана

В 114 выпуске читайте: Проблемы экологизации автомобильного транспорта в России