Сломанный резец подарил науке новое направление

Игорь Зеленицын

Когда аспирант Николай Зубков заканчивал кандидатскую диссертацию, у него во время эксперимента скололся резец — и на поверхности обрабатываемой детали появилась непонятная чешуя. Тут бы и выкинуть испорченную деталь, но Зубков заинтересовался, решил понять, что же с ней произошло, а поняв, положил начало новому направлению в обработке металлов — "Деформирующему резанию".

— При обычном резании снятый слой металла превращается в стружку и становится отходом производства, а при деформирующем резании стружка узкой частью остается прикрепленной к заготовке, — объясняет природу своей ошибки теперь уже доктор технических наук Николай Зубков. — Нашу технологию можно сравнить со вспашкой земли, при которой плуг подрезает пласт и отваливает его в сторону. Земля — непрочная и непластичная, под собственным весом она разрушается, и получается рыхлая почва. С металлом мы делаем то же самое — подрезаем пласт. Металл и прочный, и пластичный, потому подрезанный слой мы можем деформировать, производя на поверхности шипы, ячейки, выступы треугольного профиля или ребра.

В лаборатории кафедры МТ-2 МГТУ им. Баумана стоит целый шкаф с изобретениями Зубкова и наградами, полученными за них профессором. Однако путь к этим медалям и кубкам оказался извилистым. Когда Зубков только начинал продвигать свои идеи, указаний о том, как использовать новые макроструктуры, не было ни в одном конструкторском справочнике. Уговорить конструкторов поставить что-то в обход стандартных рекомендаций оказалось очень сложно.

— "Криогенмаш" как-то заказал на алюминиевых трубах сделать ребра с шагом 2 мм, — пускается в воспоминания Зубков. — Я их спросил: "Зачем такое оребрение?" "В справочнике конструктора написано, что шаг должен быть 2,5 мм", — получил я ответ. Так это естественно — ни один конструктор не заложит шаг 0,5 мм, раз не существует таких технологий. Я, конечно, сделал то, что они просили, и еле-еле уговорил испытать оребрение с шагом 0,6 мм. Коэффициент теплоотдачи вырос в три раза.

Оребрение труб было первой областью применения зубковского ноу-хау. Оно выигрывает у конкурирующих технологий в цене (если ребра приваривать к трубе, это получается существенно дороже), производительности (по этому критерию деформационному резанию уступает накатка ребер) и вариативности материалов (той же накаткой обрабатывают лишь медь и алюминий, тогда как деформационным резанием можно обрабатывать еще и титан, мельхиор и нержавейку). Существенным плюсом стала возможность делать совершенно мизерные шаги: на деталях, применяемых в испарителях, шаг составляет порядка 0,2 мм.

— После этого развитие идей пошло по абсолютно другим направлениям, — Зубков обводит глазами стенд со своими изобретениями и не сразу находит, на чем бы остановиться. — Например, если внутри тепловой трубы сделать капилляры, то можно передавать тепло без потерь на большие расстояния, не имея при этом никаких движущихся частей. Или вот еще одна деталь для охлаждения компьютеров — водоблок, сердце водяной системы охлаждения, приходящей на смену воздушной. Он позволяет снизить температуру процессора при разгоне на два-три градуса. Для максимального эффекта нужно иметь развитую поверхность, способную турбулизировать поток, чтобы повысить коэффициент теплоотдачи. Ее можно сделать, нарезав ребра сперва в одном направлении, а потом в перпендикулярном ему.

Другой идеей стало оребрение листа с двух сторон, позволяющее получить сетку с мельчайшими ячейками, вплоть до 900 отверстий на мм2. По методу Зубкова возможно сделать титановую сетку, которую никто никогда ранее не выпускал. Или сетку из серебра. Или из циркония, из алюминия... Процесс настолько прост, что его легко повторить на любом токарном станке. Лист натягивается на барабан, барабан ставится на станок, ребра с глубиной прорезания более половины толщины листа делаются в одном направлении, а потом — в перпендикулярном ему с обратной стороны.

— Самая большая золотая медаль из имеющихся здесь была получена на выставке ITEX-2010, проходившей в Куала-Лумпуре, — переходит профессор к своим наградам. — Я отправил туда трубку из обычного пищевого полиэтилена. В трубке этой винтовыми рядами сделаны сквозные прорези, что превращает ее в регулируемый фильтр, — вращая рукоятку, можно настроить тонкость фильтрации от нуля до тысячи микрометров. Фильтрация щелевая, а потому осадок с поверхности трубы легко смывают противотоком. За эту трубку, которая найдет свое применение в системах водоочистки и водоподготовки, Россия впервые выиграла Гран-при ITEX.

Методом деформирующего резания можно создавать поверхности, которыми ранее занималось только лишь материаловедение. Так, довольно просто получается закалка без термической обработки. На токарном станке поверхность металла перелистывается, как книжка — ширина межреберного зазора при этом остается равной нулю. Главным фокусом здесь является режим резания, при котором начинают происходить фазовые структурные превращения. Получается аналог закалки токами высокой частоты: сердцевина заготовки остается мягкой, а поверхность подвергается закалке и становится твердой.

Еще одно применение деформационного резания — коннекторы, соединяющие пластины из разнородных материалов по принципу диффузионной сварки. Ребра на соответствующих частях двух шин запрессовываются друг в друга — и получается сразу механическое, электрическое и тепловое соединения. Таким образом можно скреплять, например медь с алюминием, сцепление которых другими методами дает коррозию.

Всего лишь из одной ошибки аспиранта Зубкова получился целый ряд интереснейших изобретений. "Я призываю студентов всегда видеть необычное, — говорит доктор технических наук Николай Зубков. — Все случайности закономерны. Если в эксперименте произошло нечто неожиданное, нужно обязательно задуматься и осознать, что же это было".