Электромеханическая обработка для тяжелого машиностроения

Критические проблемы тяжелого машиностроения

Станкостроительные предприятия тяжелого машиностроения РФ сталкиваются с рядом существенных проблем. Это не просто сложности — это вызовы, от решения которых зависит само существование отрасли.

Комплекс нерешенных задач

Речь идет о фундаментальных вопросах:

• ✓ Энерго- и ресурсосбережение
• ✓ Повышение ресурса и надежности машин
• ✓ Снижение трудоемкости изготовления и восстановления деталей
• ✓ Защита окружающей среды
• ✓ Создание конкурентоспособной продукции

Их решение является не только необходимым, но и обязательным условием эффективного развития и существования отрасли в целом.

Цена низкого качества

Низкое качество изготовления ответственных крупногабаритных деталей слишком дорого обходится потребителям.

Представьте: гигантский вал-шестерня для пресса выходит из строя через полгода работы вместо гарантированных пяти лет. Простой производства, замена детали, убытки. И так по всей цепочке.

Что в свою очередь невозможно без технологической модернизации и внедрения инновационных технологий металло- и термообработки.

Устаревший парк оборудования

Большинство российских предприятий тяжелого машиностроения используют оборудование и технологии 50-60 годов ХХ века.

Полвека! Вы представляете, какой это срок для техники?

Критический износ

Оборудование работает далеко за пределами нормативных сроков эксплуатации. Износ исполнительных поверхностей металлорежущих станков составляет до 80%.

Это как ездить на автомобиле, у которого двигатель изношен на 80%. Можно, но далеко не уедешь и качество будет соответствующее.

Технологический тупик

При изготовлении крупногабаритных машин необходимо решать вопросы повышения износостойкости:

Технические возможности способов объемной термической обработки, закалки ТВЧ, методов ППД практически полностью себя исчерпали.

Тупик? Не обязательно. Есть выход.

Суть электромеханической обработки

Учеными и специалистами учебно-научно-производственной лаборатории электромеханической обработки деталей машин и технологического оборудования имени Б.М. Аскинази (УНПЛ ЭМО) определены новые направления научно-технического развития в этой области.

Физика процесса

Результаты получены экспериментальными исследованиями наукоемких способов обработки материалов комбинированным потоком электрической энергии, сосредоточенным в локальной области контакта инструмента и детали, с одновременным поверхностным пластическим деформированием.

Звучит сложно? Давайте разберем.

Представьте: через деталь пропускают электрический ток высокой плотности. В месте контакта с инструментом происходит мгновенный разогрев поверхности до высоких температур. Одновременно инструмент деформирует разогретый слой металла.

Нагрев + деформация = уникальная структура поверхности.

Уникальность метода

В чем фишка? В скорости.

Нагрев и охлаждение происходят за доли секунды. Это формирует структуры, которые невозможно получить традиционными методами.

Рис. 1 Фрагмент электромеханической обработки вала-шестерни (длиной 4500 мм, масса 960 кг) главного привода пресса мод. К4550 на токарно-винторезном станке 1М65 в РМЦ ОАО «АВТОВАЗ» (Тольятти)

Три направления ЭМО

Основными апробированными результатами применения технологии электромеханической обработки являются три ключевых направления.

1. Электромеханическая поверхностная закалка

Применяется для сталей, чугунов, металлопокрытий.

Суть: локальный нагрев поверхности с последующей быстрой закалкой. Получается твердый износостойкий слой при сохранении вязкой сердцевины.

Рис. 2 Электромеханическая поверхностная закалка штанги направляющей для ОАО «Верхнесалдинский чугунолитейный завод»

2. Отделочно-упрочняющая обработка (ОУЭМО)

Комбинирует финишную обработку с упрочнением поверхности.

Результат: одновременно достигается нужная шероховатость и повышается твердость поверхностного слоя.

3. Упрочняющее электромеханическое восстановление

Позволяет восстанавливать изношенные поверхности с одновременным упрочнением.

Это не просто наплавка — это создание новой структуры с улучшенными свойствами.

Рис. 3 Универсальная установка электромеханической обработки мод. «Эталон»

Ключевые преимущества технологии

Применение указанных направлений электромеханической обработки позволило решить комплекс задач, ранее считавшихся неразрешимыми.

Единый технологический комплекс

Удалось создать единый технологический комплекс операций:

• → Механическая обработка
• → Термическая обработка
• → Финишная отделочно-упрочняющая обработка

Все на одном станке! Не нужно гонять деталь между цехами.

И главное — все на воздухе, без использования охлаждающих жидкостей и защитных сред.

"Экология + экономия = двойная выгода."

Гибкое управление параметрами

Обеспечено гибкое управление параметрами скоростного контактного электронагрева и одновременного горячего пластического деформирования материала поверхностного слоя.

Цель — формирование уникальных быстрозакаленных структур:

Изучение природы мартенсита

Изучена природа, механизмы формирования и технологические основы получения высокодисперсной структуры мартенсита (гарденит), насыщенной легирующими элементами.

Образуется она при высоких скоростях нагрева и охлаждения — то, что недоступно при печной закалке.

Практическое применение на предприятиях

Технология уже не теория — она работает на реальных предприятиях.

Локальный нагрев без ограничений

Обеспечен локальный нагрев поверхности деталей при пропускании электрического тока.

Преимущества:

• ✓ Максимальный тепловой КПД
• ✓ Не требует длительного печного нагрева
• ✓ Без ограничений по размеру деталей

Хотите закалить вал длиной 10 метров? Пожалуйста! Не нужно строить печь размером с цех.

Исключение дефектов

Исключены дефекты, характерные для традиционной термообработки:

1. Поводка детали и коробление поверхностей
   Локальный нагрев не вызывает общих деформаций.
2. Окисление и обезуглероживание
   Кратковременность процесса не дает времени для химических реакций.
3. Применимо к сложным поверхностям
   Гладкие цилиндрические и плоские поверхности, а также сложнопрофильные детали — все поддается обработке.

Рис. 4 Фрагмент измерения твердости после электромеханической закалки

Обработка различных материалов

Технология работает с разными материалами — от конструкционных сталей до высокопрочных чугунов.

Рис. 5 Фрагмент электромеханической закалки плоской поверхности клина фрикционного (чугун высокопрочный)

Градиентные наноструктуры

Это, пожалуй, самое впечатляющее достижение технологии ЭМО.

Что такое градиентная структура

Формируется градиентная структура поверхностного слоя деталей с возможностью получать на поверхности твердые износостойкие слои при сохранении исходных свойств нижележащих слоев металла.

Проще говоря: поверхность твердая как алмаз, а сердцевина вязкая как медь.

Лучшее из двух миров!

Наноструктурированные поверхности

Разработаны и внедрены в машиностроении инновационные технологии формирования наноструктурированных градиентных упрочненных поверхностей деталей с высокими трибологическими свойствами.

Что это дает:

И главное — это недоступно ни одному из известных методов обработки!

Вы понимаете масштаб? Это прорыв.

Оборудование и оснастка

Спроектировано и внедрено в производство многофункциональное электросиловое оборудование и приспособления для реализации контактных взаимодействий инструмента с поверхностью деталей различной конфигурации.

Универсальность применения

Оборудование позволяет обрабатывать:

• → Цилиндрические поверхности (валы, отверстия)
• → Плоские поверхности
• → Сложнопрофильные детали (зубчатые колеса, червяки)

Рис. 7 Червячное колесо (O 505 мм) с электромеханической закалкой зубьев и внутренний участков пазов (ОАО «Люблинский литейно-механический завод»)

Рекомендации по выбору оснастки

Разработаны рекомендации по выбору всех элементов технологической оснастки:

1. С учетом вида ЭМО
2. С учетом стойкости электрода-инструмента
3. С учетом конструктивно-технологических режимов обработки
4. В зависимости от основных конструктивных характеристик деталей

Это не просто теория — это готовые рецепты для внедрения.

Восстановление изношенных деталей

Одна из самых востребованных областей применения — восстановление изношенных поверхностей.

Восстановление посадочных мест

Производится упрочняющее восстановление посадочных мест валов и отверстий под подшипники качения при их износе (отклонении размера при изготовлении) до 0,5 мм.

Полмиллиметра — это много или мало?

Для посадочного места подшипника — это катастрофа. Традиционно такую деталь — в лом или на переточку (если возможно).

С ЭМО — восстановили, упрочнили, работает как новая.

Экономия? Очевидна.

Рис. 6 Фрагмент электромеханической закалки и упрочняющего электромеханического восстановления отверстия ступицы грузового автомобиля под наружное кольцо подшипника качения

Интеграция с другими технологиями

Возможно встраивание методов электромеханической обработки в технологические процессы изготовления деталей в комплексе с такими перспективными направлениями:

• ★ Финишное плазменное упрочнение
• ★ Финишная антифрикционная безабразивная обработка
• ★ Безабразивная ультразвуковая финишная обработка

Синергия технологий дает эффект, превышающий простую сумму отдельных методов.

Перспективы развития отрасли

Выполненная работа определила пути нового направления научно-технической политики в области повышения качества и конкурентоспособности предприятий станкостроения РФ.

Стратегические направления

Что дальше?

Конкурентоспособность

Без технологической модернизации российское тяжелое машиностроение не сможет конкурировать на мировом рынке.

Факт.

Но с внедрением таких технологий, как электромеханическая обработка, появляются реальные шансы.

Экономический эффект

Что получают предприятия:

1. Снижение затрат
   Не нужно покупать новое оборудование — модернизируем существующее.
2. Увеличение ресурса
   Детали служат в 2-5 раз дольше.
3. Сокращение простоев
   Все операции на одном станке.
4. Экология
   Нет охлаждающих жидкостей, нет вредных выбросов.
5. Качество
   Недоступные ранее свойства поверхностей.

Научная база

Важно: технология основана не на эмпирике, а на глубоких научных исследованиях.

Ученые МГТУ им. Н.Э. Баумана, Волгоградского ГТУ, ИМЕТ им. А.А. Байкова РАН, МГАУ продолжают работы по совершенствованию методов ЭМО.

Это гарантирует дальнейшее развитие технологии.

Практическая значимость

Технология уже вышла из лабораторий и работает на предприятиях:

• → ОАО «АВТОВАЗ» (Тольятти)
• → ОАО «Верхнесалдинский чугунолитейный завод»
• → ОАО «Люблинский литейно-механический завод»
• → И многие другие

Реальный опыт — лучшая реклама.

Вывод

Электромеханическая обработка — это не просто еще один метод упрочнения.

Это:

• ✓ Возможность реанимировать устаревший парк оборудования
• ✓ Способ получать свойства, недоступные традиционными методами
• ✓ Путь к импортозамещению и технологической независимости
• ✓ Реальный инструмент повышения конкурентоспособности

Время традиционных методов уходит. Наступает эра комбинированных технологий.

Готовы ли вы к этому?

Федоров Сергей Константинович
Д.т.н., профессор МГТУ им. Н.Э. Баумана
8-906-7380826, momd@yandex.ru
www.hardens.ru

Багмутов Вячеслав Петрович
Д.т.н., профессор ГОУ ВПО Волгоградский ГТУ

Калита Василий Иванович
Д.т.н., заведующий лабораторией «Физикохимии и технологии покрытий» ИМЕТ им. А.А. Байкова РАН

Федорова Лилия Владимировна
Д.т.н., профессор ФГБОУ ВПО МГАУ

Захаров Игорь Николаевич
К.т.н., доцент ГОУ ВПО Волгоградский ГТУ