Ассоциация литейщиков Санкт-Петербурга и Ленинградской области (ЛенАЛ). Некоторые аспекты изготовления базовых деталей станков из модульных унифицированных отливок

В новой статье, опубликованной в третьем выпуске журнала «Вестник арматуростроителя», команда специалистов Ассоциации литейщиков Санкт-Петербурга и Ленинградской области (ЛенАЛ) представила материал об изготовлении базовых деталей станков из модульных унифицированных отливок.

Целью всей деятельности интеллекта
является превращение некоторого чуда
в нечто постигаемое.

Альберт Эйнштейн 

Глобализация последних десятилетий и связанные с ней изменения в производственной сфере существенно отразились на промышленных предприятиях. Успехов добились те, кто сменил классическую стратегию производства движением в сторону Индустрии 4.0.

Предприятиям, сумевшим изменить подход к производству и реализовать парадигмы Индустрии 4.0, открываются колоссальные возможности экономии материальных ресурсов и повышения эффективности производства, а также сокращения до 70 % расходов, связанных со сложностью производственных процессов. Термин Индустрия 4.0, означающий стратегическую инициативу цифровой трансформации производственной отрасли, стал достаточно модным и распространенным [2], потому что целью этой концепции является значительное увеличение гибкости производства, рациональное ценообразование и индивидуализация продукции. На это, в первую очередь, необходимо обратить внимание станкостроителям.

«Мы не задаем более вопроса об «истинности» какой-нибудь теории, а спрашиваем лишь, насколько полезна теория и какие результаты можно получить с ее помощью» [1].

В настоящее время отечественное станкостроение сталкивается с двумя крупными проблемами: эволюцией развития, связанной с планомерным повышением эксплуатационных требований и усложнением конструкций всех моделей металлообрабатывающего (МОО) и кузнечно-прессового (КПО) оборудования и политически-технологическим давлением мировых производителей, как оборудования, так и комплектующих изделий. В течение последних 25-30 лет сложность машиностроительной продукции возросла в 4-6 раз, а требования по технико-эксплуатационным характеристикам и физико-механическим свойствам – на порядок. В то же время отечественное станкостроение за тот же период времени существенно деградировало, а потребитель оборудования перешел на повсеместное импортопотребление. Учитывая сегодняшнее состояние отрасли и отечественного станочного парка, трудно говорить о возможном быстром прорыве в этой области без принятия нестандартных конструкторских и технологических решений.

«Если технологии и общество быстро развиваются, а предприятия не в состоянии адаптироваться к новым условиям, то, по теории вероятности, это приводит к исчезновению определенных типов компаний» [2].

Одним из возможных направлений технологического прорыва может являться инновация в литейном производстве, являющемся основной заготовительной базой станкостроения, развитие которого определяет и уровень машиностроительного комплекса в целом. Практически ежегодно (постоянно) растут требования потребителей относительно повышения физико-механических характеристик, геометрической точности, чистоты поверхности и снижения массы отливок. По сравнению с другими заготовительными производствами (ковка, сварка) литейное производство отличается высоким коэффициентом использования металла (КИМ), который составляет от 75 до 98 % и обеспечивает получение сложных по геометрии и конфигурации литых заготовок с внутренними полостями, что практически невозможно выполнить методами ковки и сварки, тем более если заготовки чугунные. Поэтому литейное производство и в дальнейшем сохранит свое лидирующее положение среди заготовительных производств в проектах развития машиностроения.

В этом векторе литейное производство занимает первостепенное значение в существовании национального станкостроения на уровне мировых стандартов. Чугунные литые заготовки (отливки) в структуре любой модели металлорежущего станка составляют до 85 % его общей массы. Для примера – общая металлоемкость расточного станка 2А 622 составляет 22 тонны, а доля чугунных отливок – 18 тонн, или около 81 %. Всего в станке 164 наименования литых заготовок. Но особое место при производстве станков занимают процессы изготовления базовых отливок и готовых деталей из них. Всего в тяжелых станках 6-8 базовых деталей, но они составляют до 90 % массы станка. От них в большей степени зависит себестоимость, цикл изготовления, надежность и долговечность эксплуатации станка без потери гарантированных точностных параметров.

Повышенные требования к данным отливкам определены ОСТ2-МТ21–2-90, где регламентируются параметры по геометрической точности, чистоте поверхности, шероховатости и особое внимание уделено качеству направляющих по микроструктуре, твердости и химическому составу. Эти параметры главным образом и влияют на долговременное гарантированное сохранение точностных характеристик станка при механической обработке литых и кованых заготовок для изготовления ответственных изделий. Но помимо них существуют и элементы человеческого фактора, определяющие качество итогового изделия. В стране практически не осталось станкостроительных заводов, способных изготавливать инновационные тяжелые станки, не осталось литейных производств, способных изготавливать базовые чугунные отливки массой от 10 и более тонн. Существующие литейные производства общего машиностроения не имеют обученных кадров и опыта производства сложных чугунных отливок для станкостроения.

Существуют и большие сложности с проектированием. Известно множество экспериментов по повышению качества литья и снижению его стоимости. Учитывая, что идеальным материалом для МОО является серый чугун, обладающий комплексом положительных физико-химических и эксплуатационных свойств (литейные, триботехнические и повышенная демпфирующая способность), конструктор для выполнения гарантированных точностных параметров при эксплуатации станка выбирает чугун марки СЧ25 и повышает твердость направляющих до 200-220HB, что можно выполнить применением высоколегированных чугунов, но это значительно снижает демпфирующую способность изделий (исследования Экспериментального научно-исследовательского института металлорежущих станков (ЭНИИМС), Москва), вводит большое количество ребер для увеличения жесткости и прочности. Но высокая твердость легированных чугунов и демпфирующая способность не совместимы [3]. Для выполнения технических требований к базовым деталям некоторые передовые заводы применяли очень трудоемкий и дорогостоящий процесс двуслойной заливки, когда направляющие (нижняя часть формы) заливаются высоколегированным чугуном с низким углеродным эквивалентом (3,5-3,6), а корпусная часть, обладающая хорошей демпфирующей способностью, – чугуном с высоким углеродным эквивалентом (4,1-4,3).

Известно, что конструктивные ужесточения требований к базовым деталям приводят к ряду технологических сложностей в процессе изготовления крупных отливок и при их эксплуатации. Сложности начинаются с момента разработки литейно-модельной технологии даже в лучшие времена, когда на каждом станкозаводе имелся штат опытных технологов-литейщиков, а сейчас это еще большая проблема. Следующая сложность – трудоемкость и материалоемкость изготовления модельных комплектов. Только для изготовления модельных комплектов для базовых отливок указанного станка требуется 75 куб. м высококачественных сухих пиломатериалов, а срок изготовления модельной оснастки при наличии опытных модельщиков составлял не менее 6 месяцев. В настоящее время при остром дефиците квалифицированных модельщиков этот процесс займет в 3 раза больше времени.

Следующая проблема – сложность формообразования: изготовление большого количества стержней и сборка форм. Отсюда вечная проблема литейщиков – снижение трудоемкости и повышение качества. Технология формообразования с массивной верхней полуформой, при которой наблюдались частые «уходы металла по разъему» и повышенные заливы (рис. 1), сменилась на перекрытие формы крупными стержнями из ЖСС (из жидких самотвердеющих смесей, многие этого уже не знают) [4]. В результате внедрения новой технологии повысилась размерная точность отливок, сократился расход металла, ликвидирован парк опок и потребность в сушке громоздких полуформ, сократилась трудоемкость обрубных работ.

Схема собранной формы станины станка 2А622 представлена на рис. 2. Но и в этом случае трудоемкость остается нежелательно высокой. В эту форму устанавливается 36 стержней массой 200 кг и 20 мелких стержней массой до 15 кг. Сборку осуществляет опытный формовщик с использованием мостового крана и при наличии сборочного чертежа, где указывается база начала сборки, порядок установки стержней, холодильников, жеребеек и другие моменты. Затем заливка, выдержка в форме, извлечение из формы, охлаждение, обрубка, термообработка и передача на механическую обработку. Цикл изготовления такой отливки занимает до 12 суток. Это отливка массой всего 6 тонн. А если отливка 30 тонн? Она должна по регламенту охлаждаться в форме 10 суток при температуре воздуха в цехе не ниже 16 °С. Цикл изготовления увеличивается, съем с квадратного метра уменьшается, рабочие площади используются не эффективно – и себестоимость увеличивается.

Кроме того, введение ребер в корпусные отливки для повышения жесткости приводит к усложнению литой заготовки, возникновению внутренних напряжений из-за разности толщин в местах сопряжения их с толстыми направляющими и основными стенками, что приводит к различной величине коробления [5] (в лучшем случае его удается устранить за счет повышенных припусков или заданного обратного прогиба), трещинам и даже к полному разрушению (рис. 3). Исследованиями ЭНИИМС и практическим опытом станкозаводов еще раз подтверждается правило, используемое в основном в вычислительной технике, которое гласит, что увеличение числа регулируемых компонентов не всегда приводит к повышению качества итогового изделия, а зачастую наоборот.

Многолетний производственный опыт, статистический и экономический анализы производства крупных станочных отливок (базовых) показывает, что их изготовление влечет к резкому удорожанию металлообрабатывающего оборудования (МОО) и делает его неконкурентоспособным. Необходим новый нетрадиционный подход к концепции создания МОО и КПО в виде инновационного металлообрабатывающего (МОО) оборудования, легко создаваемого и быстро переориентируемого на другой профиль мехобработки. Настало время пересмотреть конструкции и технологии создания традиционных базовых деталей станков. На смену традиционной технологии использования цельнолитых чугунных корпусных отливок для станкостроения закономерно в ближайшее время должна прийти технология изготовления их из простых унифицированных литых заготовок [6] (рис. 4).

Из-за большого количества факторов риска, изложенных выше, ясно, что вероятность получения качественной заготовки обратно пропорциональна ее размеру, а устранение элементов брака требует существенных материальных затрат вплоть до изготовления новой заготовки. Достаточно усложнено и тестирование изделия на наличие конструкторских, технологических и производственных ошибок, особенно при единичном и мелкосерийном производстве. Если обозначить возможно допустимую площадь наличия различного вида погрешностей как Т1, а площадь тестируемой поверхности как Т2, то можем получить коэффициент вероятности обнаружения погрешности р(Т) по формуле 1: р(Т) = Т1 / Т2 (1).

Если Т1 = Т2, т. е. площадь тестирования совпадает с общей площадью изделия, вероятность обнаружения погрешности равна 1, другими словами, погрешность будет безусловно обнаружена. Чем меньше площадь тестируемой поверхности относительно общего объема изделия, тем больше вероятность различных отклонений от заданных параметров, что очевидно. Учитывая, что на качество конечной продукции влияет множество факторов, описанных выше, не трудно представить трудоемкость проведения комплексного тестирования. Особенно трудоемким является тестирование единичной продукции. Ослабление тестового контроля зачастую приводит к скрытым дефектам, проявляющимся в процессе эксплуатации МОО и КПО.

Предлагаемый метод декомпозиции цельнолитых чугунных корпусных отливок даст возможность перейти к технологии изготовления их из простых унифицированных литых заготовок (УнЛЗ) [7], которые возможно изготавливать в массовом количестве на механизированных и автоматических формовочных линиях. Это линии ЛГМ, Сейатсу или ВПФ – процесса непрерывного литья для направляющих, как наиболее экологически чистые и менее материало- и энергоемкие. Концепция производства крупных модульных станков на базе модульных базовых деталей выгодно отличается от вековой традиции изготовления крупных цельнолитых базовых отливок (далее «Концепция»).

В этом случае у станкостроителей появляются возможности по снижению массы металлообрабатывающих агрегатов, решить проблему сокращения расходов материалов и энергоресурсов,[8] трудовых затрат и, естественно, значительного сокращения сроков изготовления новых станков. Но самое главное – это резкое повышение качества изделий при их массовом производстве за счет отработки конструкторских решений при начале массового производства, подготовка и создание универсальных тестовых приспособлений и методик, позволяющих перейти от индивидуального тестирования к выборочному и существенному снижению трудоемкости и материалоемкости изготовления модельных комплектов. Все это скажется на себестоимости изделий, т. к. при С – себестоимости единицы товара, О – общей себестоимости произведенных товаров и К– общем количестве произведенных товаров итоговая себестоимость единичного товара рассчитывается по формуле 2: С = О / К (2).

По экспертным данным, «Концепция» призвана сократить сроки изготовления станков и их себестоимость в 3-4 раза. Приняв концепцию «модульного станкостроения», возможно разработать перечень унифицированных деталей (УнД) для базы станков родственного профиля (расточные, продольно фрезерные, строгальные и т. п.). Наличие дешевых заготовок позволяет в полной мере реализовать концепцию «оборудование, как расходный материал».

Проектирование и изготовление станков на основе УнД существенно отличается от традиционных технических требований и производственных условий. Проект может быть реализован под отдельную деталь с последующим использованием УнД для композиции другого станка под другую деталь, а процесс самого проектирования может быть полностью компьютеризирован.

Следовательно, для ускоренного процесса восстановления станкостроительной отрасли хотя бы в области литейного производства необходимо смелее переходить к системной разработке конструкций модульных базовых деталей из унифицированных литых чугунных заготовок из композиционных материалов (КМ) для «модульных станков будущего». «Любое целое всегда состоит из частей, обладает адекватным структуре целого функционированием и проявляет себя как целое при практических действиях, в первую очередь, по успешной реализации целенаправленных действий» [8]. С этой целью достаточно произвести декомпозицию сложных деталей (станин, стоек, шпиндельных бабок и т. п.) на элементы простой конфигурации с меньшей массой. Современная теоретическая, экспериментальная и производственная базы позволяют разрабатывать и изготавливать любые конструкции и детали из армированных (КМ) с металлической, полимерной или керамической матрицей, что подтверждается растущим объемом применения композитов в мире.

Переходя в дальнейшем к композиции МОО и КПО на основе мехатронных узлов и модульных базовых деталей, возможно ускоренное развитие как самой отрасли, так и модернизация всего станочного парка страны.

Список литературы:

1. А. Эйнштейн. Собрание сочинений, Т4, М., 1967.
2. С. Л. Мерц, А. Рот. «Индустрия 4.0 – модель внедрения», Мир станкостроения, Техносфера, М. 2020.
3. Е. Пивоварский. «Высококачественный чугун, том 1» стр. 518-521. «Металлургия», М. 1965.
4. С. С.Ткаченко, В. П. Жучков, Б. Б. Гуляев «Повышение точности крупных отливок», Литейное производство, 1969, № 6.
5. О. Ю. Коцюбинский «Стабилизация размеров чугунных отливок», Машиностроение, М., 1974.
6. С. С. Ткаченко, В. О. Емельянов, К. В. Мартынов. Современные основы изготовления металлорежущих станков из унифицированных литых заготовок», Труды 26-й Международной научно-технической конференции «Литейное производство и металлургия 2018, Беларусь». Минск, 2018.
7. С. С. Ткаченко, В. О. Емельянов, К. В. Мартынов, А. В. Янтовский «Композиционные материалы – надежная основа модульного станкостроения», Станкоинструмент, 2021, № 3.
8. М.А.Иоффе, Р.Д.Фарисов, «Принципы синергии и бережливости в массовом чугунолитейномм производстве», Издательство «Бук», Казань, 2020.
9. В. А. Аванесов, А. Д. Романов, А. Х. Стапч. «Введение в теорию успеха». Санкт-Петербург, Издательство Политехнического университета, 2008.