станки. {55}
При обработке обыкновенным резцом поверхность получается наиболее грубая. Шаг неровностей очень велик: самый малый — 0,1 миллиметра, а самый большой доходит до 1,5 миллиметра. Высота неровностей — от 1 микрона до 100 микрон (микрон — одна тысячная доля миллиметра). Такая поверхность блестит, но зеркалом служить не может.
Шлифование уменьшило шаг неровностей в тридцать раз, а высоту — в двадцать раз. Во многих случаях такое улучшение решало задачу. И очень долго машиностроители удовлетворялись шлифованием, стараясь только всячески усовершенствовать этот вид обработки. Шлифованная поверхность правильнее отражает свет; в ней смутно, но правильно отражаются очертания предметов, лиц.
Скоро требования к качеству поверхности трущихся деталей машин возросли. Так, например, понадобилось более чисто, гладко и точно отделывать внутренние поверхности цилиндров автомобильных двигателей. Точность должна была выражаться уже в тысячных долях миллиметра, в микронах.
Примерно двадцать лет назад машиностроители предложили заменить шлифовальный круг плоскими брусками, изготовленными (как и шлифовальный круг) из мелких зерен твердых искусственных камней или абразивов, как их называют, и связывающего их материала. Эти бруски размещались на круглой раме внутри обрабатываемого цилиндра. Получалось что-то вроде расточной головки, только оснащенной не резцами, а абразивными брусками. Оставалось только привести во вращение штангу, на конце которой была укреплена рама с брусками, и начать что-то вроде внутреннего шлифования. В этом почти ничего нового не было. Так примерно обрабатывались цилиндры на заре машиностроения. Но это было только внешним сходством. Станок не только вращал штангу с брусками, но и толкал ее вперед по длине цилиндра и тянул назад, заставляя совершать еще и возвратно-поступательное движение. Новый вид обработки назвали «тонкой шлифовкой».
Что же произошло с шагом и глубиной неровностей при новой обработке поверхностей? Может быть, неровности и вовсе исчезли? Оказывается, нет. Попрежнему неровности бороздили обработанную поверхность, и даже {56} шаг их не изменился, остался таким же как и при шлифовании. Но высота гребешков уменьшилась в пять-восемь раз, дойдя до одной десятой доли микрона. Толщина волоса в десятки раз больше этой величины. Поверхность стала еще более зеркальной. И все же это достижение не удовлетворило машиностроителей. Гребешки, пусть и микроскопические, все же оставались и были еще достаточно вредными.
{57}
Тогда еще раз изменили инструмент: применили неабразивные зерна, прочно вкрапленные в связывающие материал, а абразивный порошок, смешанный с маслом «ли жиром и нанесенный на какой- нибудь мягкий материал — чугун, латунь, кожу, дерево. Снова вернулись к кропотливому ручному труду, требующему от рабочего большого опыта и высокой квалификации. Медленными и в разные стороны направленными осторожными движениями рабочий обрабатывал, притирал порошком изделие почти так же, как это делали средневековые мастера. Работа стоила дорого, длилась долго, но давала хорошие результаты. Тогда машиностроители ухитрились построить специальные станки для этого вида обработки. Новая обработка, как и тонкая шлифовка, не уменьшила шага неровностей; эта величина почти не изменилась. Но высота неровностей стала еще меньше, сделалась совсем ничтожной. Еще глаже стала поверхность, еще яснее и четче отражала она очертания предмета. И все же гребешки продолжали существовать.
Тут надо все же рассказать, как машиностроители уничтожили вредные гребешки.
Сверхдоводка
Когда изделие обрабатывается на станках режущим инструментом, это называют в технике холодной обработкой металла. Соответствует ли это определение истине? На первый взгляд, кажется, и спорить об этом нечего; никаких печей не видно, нет как будто и нагрева и высокой температуры. Но это опять-таки только «кажется». На самом же деле нагрев металла происходит и без печей и дает весьма высокую температуру. Тепло выделяется там, где соприкасается инструмент с изделием и, проникая на какую-нибудь глубину, пусть ничтожно малую, влияет на поверхностный слой металла. А этот слой — самый важный, потому что он-то и образует рабочую поверхность будущей детали. Чем больше скорость резания и давление инструмента на обрабатываемую поверхность, тем больше выделяется тепла. При обработке резцом эта температура может дойти до 1000 градусов.
Металл состоит из отдельных зерен — кристаллов. Высокая температура разрыхляет кристаллы в поверхностном слое, ослабляет связь между их частицами. Слой этот очень мал. Толщина размягченного слоя поверхности, {58} обработанной тонкой шлифовкой, равна всего 5 микронам. Размягченный металл поверхности ослабляет ее сопротивляемость внешним воздействиям — трению, удару, давлению. Значит, хорошо бы или вовсе избавиться от этого разрыхленного слоя, или хотя бы сделать его возможно тоньше. Неровности — гребешки — как раз располагались в поверхностном разрыхленном слое, а остроконечность зубцов еще больше ослабляла сопротивляемость поверхности износу.
Значит, борясь с неровностями, надо было вовсе устранить или уменьшить влияние основной причины размягчения — высокую температуру, выделяющуюся при обработке.
Меняя способы шлифовки поверхностей, станочники уменьшали зубцы вредных гребешков, понижали температуру поверхностного слоя при его обработке и утончали размягченный слой. При обработке притиркой температура понизилась до десятков градусов, а толщина размягченного слоя утончилась до полутора микронов.
«Почему тонкая шлифовка и притирка дают такие гладкие и прочные поверхности? — спросили себя исследователи. — А что, если мы еще больше усложним движение инструмента? Что, если мы еще более уменьшим скорость обработки? Ведь тогда поверхность станет еще более гладкой, так как исчезнут вредные гребешки. И она будет еще лучше сопротивляться износу, так как еще тоньше сделается слой «мягкого металла». «Ручные» темпы исследователей не устраивали. Поэтому они прежде всего попытались заменить руку рабочего механической «рукой» станка, неустанно и быстро совершающей легкие колебательные притирочные движения. Затем отказались от абразивного порошка. Таким инструментом было трудно управлять, отдельные зерна порошка отрывались от всей массы и царапали обрабатываемую поверхность. Исследователи вернулись к абразивным брускам и построили специальные приспособления.
На станке были установлены изделия — кольца подшипников, а инструменту — брускам — заранее придали такую форму, чтобы они точно прилегали к обрабатываемой поверхности. В механическую «руку» станка вложили бруски и заставили ее совершать быстрые — до 500 в минуту, но мелкие — не более 2,5—3 миллиметров — колебательные движения. И в это же время изделия, кольца, {59} медленно вращались. Это была очень малая скорость, а бруски едва прижимались к изделию. Температура обработки не повышалась вовсе.
Благодаря такой работе брусков с изделия снималась ничтожно малая стружка, диаметр кольца едва-едва увеличивался. Но вдруг через 10—15 секунд изменение диаметра прекратилось.
Сколько ни продолжали обработку, диаметр кольца оставался неизменным. Стружка более не снималась. Почему? Ответ пришел не сразу. Оказалось, что режущие зерна брусков, зачищая гребешки, затупились, поверхность брусков стала гладкой. Но поверхность изделия тоже стала гладкой, и поэтому резание прекратилось. Получилось так, что как только достигалась наилучшая поверхность, обработка прекращалась автоматически. Тогда сняли со станка обработанные изделия, заменили их новыми. А как быть с брусками? Ведь они как будто уже вышли из строя. Но оказалось, что как только затупившиеся бруски начали двигаться по неровностям нового изделия, они снова «заправились», самозаточились и так же чисто
