Лазерные технологии для сельхозмашиностроения

В 80—90 годы двадцатого столетия были проведены научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по определению областей применения лазерных технологий в сельхозмашиностроении. С учетом развития лазерной техники того периода и специфики отраслевых задач они сводились к следующим технологическим переделам: резка листовых материалов, упрочнение, наплавка и, в меньшей степени, сварка. Эти технологии были внедрены в опытном и серийном производстве на ряде предприятий в России и странах СНГ, в том числе, в производстве тракторов, комбайнов, сельхозмашин, запасных частей и на ремонтно-технических предприятиях для упрочнения деталей прямым воздействием лазерного излучения или их восстановления методом лазерной наплавки.

Анализ состояния производства на предприятиях сельхозмашиностроения технологическим переделам в настоящее время приводит к следующим выводам.

Лазерная резка. Несмотря на то, что лазерная резка получила широкое распространение во многих отраслях промышленности, объем ее применения на тракторных заводах незначителен. В рамках технического перевооружения несколько заводов в начале 2000‑х годов закупили лазерные раскройные комплексы ведущих зарубежных фирм Trumpf, Bystronic, Mazak. Отечественного оборудования для лазерной резки на тракторных заводах по нашим данным не имеется, хотя при планируемом увеличении объема выпуска тракторов оснащение производства лазерными комплексами неизбежно. Необходимо также иметь в виду моральный и физический износ находящихся в эксплуатации импортных установок.

Лазерная резка на комбайновых и заводах по выпуску сельхозтехники практически не применяется за исключением ОАО «Ростсельмаш», причем на Ростовском прессово‑раскройном заводе, входящем в состав объединения, создан самый крупный в России парк из 18 лазерных комплексов фирмы Trumpf (Trumatic L 3030/4030/3050 c размерами cтола 1500х3000 мм и TruLaser 5030classic, TruLaser 5040 с размерами стола 2000х4000 мм). На этом оборудовании осуществляется лазерная резка углеродистой стали толщиной до 25 мм, а нержавеющей стали — до 12 мм. Завод выполняет заказы по лазерной резке для ряда машиностроительных предприятий региона.

Лазерная сварка. По имеющейся информации на тракторных и комбайновых заводах лазерная сварка практически не применяется за исключением единичных случаев (ОАО «Ростсельмаш»). Это направление требует глубокой проработки с проведением экспериментальных работ и оценки экономической целесообразности замены существующих технологий сварки на лазерную.

Лазерное упрочнение. На некоторых заводах сельхозмашиностроения, в частности, на Санкт-Петербургском и Минском тракторных заводах ведутся работы по использованию технологии лазерного упрочнения применительно к быстроизнашивающимся деталям коробки передач и трансмиссии тракторов. О положительном опыте разработок и внедрения, накопленном в предыдущие годы, будет сказано ниже. Для реализации несомненных преимуществ лазерной технологии необходима разработка универсальных и специальных комплексов для упрочнения в ближайшие два-три года. Особо следует отметить перспективность применения лазерной технологии в ремонтном производстве для упрочнения и восстановления деталей с низким ресурсом и деталей импортной техники с высокими стоимостью запасных частей, транспортными и таможенными расходами. Этому направлению уделяется значительное внимание на заводах-производителях тракторной техники и ремонтных предприятиях как за рубежом, так и в нашей стране. Как правило, восстановленные лазерным излучением детали по своему ресурсу не уступают новым.

Об актуальности проблемы свидетельствует тот факт, что по информации ГНУ ГОСНИТИ затраты на ремонт сельскохозяйственной техники в России составляют около 65 млрд рублей в год. В настоящее время при активной позиции указанного института решается задача о включении лазерной технологии и оборудования в состав планируемых 15 региональных ремонтно-технических центров. Следует также отметить, что оснащение этих центров современным оборудованием для традиционной термообработки и химико-термической обработки нецелесообразно ввиду единичного или мелкосерийного характера производства. Лазерная технология практически целиком решает указанную проблему, обеспечивая высокую износостойкость деталей и достаточную производительность.

К сожалению, с конца 90‑х и начала 2000‑х годов в связи с резким падением производства и неблагоприятной экономической ситуацией внедрение новых технологий и техническое перевооружение крупных предприятий существенно замедлились. Так в стоимостном выражении объем рынка сельскохозяйственной техники в России составил в 2012 году около 125 млрд руб., из них доля российских предприятий — около 34 млрд руб. В натуральном выражении было произведено около 22 тыс. тракторов, что почти в 10 раз меньше, чем в 1989 году, причем выпуск отечественных моделей составил 20,2%.

В последующие два года продолжалось падение производства по основным видам сельскохозяйственной техники. Так, рынок сельскохозяйственных тракторов России в 2014 году по отношению к 2013 году снизился на 3,8%. Общий объем продаж тракторов за январь–декабрь 2014 года составил 43 850 единиц, из которых только 1316 тракторов российских марок (доля рынка всего 3,1%).

В 2014 году в структуре рынка тракторов произошло увеличение рыночной доли импорта новых тракторов иностранных марок, которая выросла с 26,1 до 39,0%. Совокупные продажи собранных в России новых тракторов иностранных марок (John Deere, Claas, Case New Holland, Versatile) и ХТЗ сократились на 16% с 2 683 единиц до 2 254 при сужении их рыночной доли с 5,9 до 5,1%. В 2014 году продажи белорусских тракторов российской сборки упали на 27,8% до 2,6 тыс. штук, а их доля на рынке снизилась с 7,8 до 5,8%.

Несколько более благоприятная ситуация сложилась на рынке зерноуборочных комбайнов, выпуск которых в России в 2014 году составил 5 787 единиц, а падение рынка к 2013 году составило всего 1,5%. Отечественные марки заняли доминирующее положение и увеличили свою долю с 52,5 до 58,8%, причем их продажи увеличились также в натуральном выражении до 3396 единиц, (+10,2%), а продажи комбайнов иностранных марок (кроме белорусских), собранных в России, сократились на 18,0% до 730 единиц. Рост производства отмечен у производителей запасных частей.

Однако положительные на первый взгляд тенденции не могут скрыть следующего факта, вызывающего серьезное беспокойство. Преобладающую часть производства составляет сборка импортной техники, в том числе белорусской. В этом случае основная часть стоимости продукта (в виде сборочных комплектов) создается вне России, а относительно небольшой размер добавленной стоимости не требует больших трудозатрат и соответственно полноценной занятости рабочей силы, особенно высококвалифицированной. Потеря рабочих мест в отрасли сельскохозяйственного машиностроения составила по сравнению с 2008 годом 20 тыс. человек, занятость уменьшившилась вдвое.

Исходя из собственного многолетнего опыта [1] остановимся более подробно на проблемах лазерного упрочнения и восстановления. Типичные параметры лазерного поверхностного упрочнения (закалки) при мощности излучения 2—3 кВт — глубина до 1,5 мм, производительность 50—100 см2/мин, твердость до 60—65 НRС (для углеродистых сталей); наплавки порошковыми материалами — толщина 1,5—2,0 мм (реже до 4 мм), производительность 15—30 см2/мин.

Наиболее значимые примеры опытного и промышленного внедрения оборудования и технологий с организацией производственных участков на предприятиях тракторного, автомобильного и сельскохозяйственного машиностроения (конец прошлого — начало нынешнего века), в которых авторы принимали непосредственное участие:
• лазерное упрочнение новых и восстановление изношенных коленчатых валов тракторного двигателя А‑41 трактора ДТ‑75 (сталь 45) на Борском РТП, HRC — 50—56, глубина упрочнения 0,5—0,8 мм, увеличение износостойкости в 1,5—2 раза;
• лазерное упрочнение нажимных дисков трактора К‑701 А на ПО «Кировский завод», HRC — 50—56, глубина упрочнения 0,5–0,8 мм, увеличение износостойкости в 2,5—3 раза (рис. 1);

 

 

Рис. 1. Упрочненные лазером нажимные диски и диски трения трактора К-700.

• лазерное упрочнение демпфера крутильных колебаний из чугуна СЧ18 тракторного двигателя 8 ДВТ‑330 на Волгоградском моторном заводе, HRC — 52—58, глубина упрочнения 1,0—1,2 мм, увеличение износостойкости в 2 раза;
• упрочнение и наплавка лемехов, грейдерных ножей, упрочнение подшипников на Г. П. Вуков (Словакия), HRC — 52—68, глубина упрочнения 1,5—1,8 мм, глубина наплавки 3,5—4,0 мм увеличение износостойкости в 2,5—4 раза;
• упрочнение деталей ходовой части гусеничных тракторов, в том числе изготовленных из стали Гадфильда, увеличение износостойкости в 1,7—2 раза (рис. 2);

 

 

 

Рис. 2. Детали ходовой части гусеничных тракторов.

• упрочнение ряда деталей трактора на Харьковском тракторном заводе (3 установки);
• лазерное упрочнение корпусов гидронасоса из чугуна СЧ‑20 на ПО «Пневмостроймашина» (Екатеринбург);
• лазерное легирование и восстановление канавок поршня на Ульяновском моторном заводе, HRC — 62—68, глубина обработки 1,5—1,8 мм, увеличение износостойкости в 2,5—3 раза.

Восстановленный методом лазерной наплавки барабан тяговой лебедки показан на рис. 3, толщина наплавленных слоев составляла от 3 до 5 мм в зависимости от износа ручья.

 

Рис. 3. Восстановленный лазерной наплавкой барабан тяговой лебедки.

 

Внедрение технологии упрочнения и восстановления осуществлялось на многолучевых лазерных установках типа ЛН‑2,5 НМ разработки и производства НПО «Электротерм» (НПЦ «Лазертерм», НПЦ «Лазер-Т»), Москва. На базе этих установок создавались универсальные и специальные лазерные комплексы, в том числе автоматизированные и роботизированные. На рис. 4 показан комплекс для упрочнения и восстановления коленчатых валов тракторных двигателей на Борском РТП Нижегородской области, который находился в эксплуатации свыше 12 лет. Комплекс состоял из многолучевого лазера мощностью 2,5 кВт, манипулятора-вращателя с центросместителем, оптико-механической системы и блока управления.

 

Рис. 4. Лазерный комплекс для упрочнения и восстановления коленчатых валов тракторных двигателей.

Поперечный шлиф зоны упрочнения изображен на рис. 5. Технология упрочнения и наплавки разрабатывалась совместно с ВНПО «Ремдеталь».

 

Рис. 5. Упрочненная зона коленчатого вала.

 

Накопленный опыт был использован для развития работ по лазерной технологии за рубежом, в частности в Болгарии, Польше и Чехословакии. Так, для упрочнения деталей широкой номенклатуры НПО «Электротерм» (Россия) и МНПО «Робот» (Чехословакия) совместно создали уникальный комплекс, не имеющий до настоящего времени аналогов в сельскохозяйственном машиностроении. Комплекс состоял из многолучевого лазера ЛН‑2,5 НМ с выходной мощностью до 3,5 кВт, мостового робота с рабочим полем 4х2,5 м производства завода «Вуков» (Чехословакия), оптико-механической зеркально-линзовой системы с корригирующими оптическими элементами, обеспечивающей передачу излучения на расстояние до 9 м с сохранением на обрабатываемой детали постоянства плотности мощности и размера пятна фокусировки, системы управления, рабочей кабины, паллетной системы загрузки-выгрузки заготовок (рис. 6).

 

 

Рис. 6. Роботизированный комплекс для упрочнения лемехов (Словакия).

 

После проведения опытных работ и определения возможных областей применения лазерных технологий для упрочнения машиностроительных деталей и с учетом перехода к рыночной экономике было признано целесообразным сориентировать работу комплекса исключительно на упрочнении лемехов. На поверхность лемеха в зоне его износа наносились параллельные упрочняющие дорожки шириной от 6 до 9 мм и глубиной упрочненного слоя от 1,0 до 1,7 мм. Результаты испытаний показали увеличение износостойкости не менее чем в 2—3 раза в зависимости от типа грунтов. Эта технология была принята как базовая, и лемеха упрочнялись в две смены централизованно для всей Словакии.

Аналогичные работы были проведены в России совместно с ОАО «Муромский ремонтно-механический завод». Упрочненная лазером партия лемехов ПЛЕ‑702‑ЛУ (сталь Л53) проходила испытания в южных и северных регионах России.

Результаты испытаний показали возможность увеличения ресурса работы лемехов с лазерным упрочнением в 2,5—3 раза по сравнению с серийно выпускаемыми лемехами. К сожалению, объемы испытаний были недостаточно велики, но и они показали, что обработанные лазерным излучением лемеха не уступают по износостойкости лемехам с наплавкой твердосплавным порошком. Следует отметить и тот факт, что эти лемеха обладали более высокой сопротивляемостью сколам и выкрашиванию лезвий. При этом себестоимость изготовления повышается не более, чем на 30—40 %, а срок окупаемости затрат на создание и внедрение технологии лазерного упрочнения составит около 18 месяцев.

Всего для оснащения предприятий сельхозмашиностроения было поставлено 16 единиц лазерных установок этого типа и комплексов на их основе (1).

Однако до настоящего времени широкому внедрению лазерных технологий в производство препятствовали определенные недостатки, связанные с типом используемых лазеров, как правило, твердотельных и газовых, в частности, низкий КПД, высокое энергопотребление, нестабильность энергетических и оптических характеристик, большие эксплуатационные расходы и значительные габариты.

Появление на рынке мощных волоконных лазеров расширяет технологические возможности их использования для лазерной закалки, упрочнения, легирования и наплавки в машиностроительных отраслях промышленности. Разработчиком и производителем этих лазеров, а также комплексов на их основе является компания НТО «ИРЭ-Полюс» (г. Фрязино, Московской обл.).

Главные преимущества волоконных лазеров:
• высокий КПД, практически не зависящий от уровня генерируемой мощности;
• возможность глубокого регулирования излучения по мощности, частоте и длительности импульсов в квазинепрерывном и импульсном режимах генерации;
• возможность передачи излучения на значительные расстояния (несколько десятков метров);
• малые габариты, что позволяет успешно интегрировать их в существующие производственные процессы, поточные и автоматические линии;
• высокая долговечность (до 50 000 часов);
• низкие эксплуатационные расходы.

Высокие уровни мощности волоконных лазеров (до 30 кВт) и оснащение их оптическими переключателями позволяют передавать лазерное излучение от одного источника к индивидуальным постам для выполнения однотипных или различных технологических операций, например резки, сварки, термоупрочнения и других, что в производственных условиях существенно снижает капитальные затраты.

В НТО «ИРЭ-Полюс» помимо лазеров развернут выпуск лазерных комплексов для резки, сварки, наплавки и других технологических операций, необходимых в современном промышленном производстве. На рис. 7 представлен роботизированный специализированный комплекс для наплавки на базе волоконного лазера мощностью 4 кВт и робота Кука.

 

Рис. 7. Лазерный комплекс для наплавки на базе волоконного лазера и робота Кука.

К настоящему времени выпущено значительное количество волоконных лазеров мощностью свыше 1 кВт, которые могут быть интегрированы в технологические комплексы для использования в основном и ремонтном производстве предприятий тракторного и сельскохозяйственного машиностроения [2]. А последние решения директивных органов и курс на импортозамещение позволяют с оптимизмом рассматривать перспективы восстановления утраченных позиций и продвижения лазерных технологий. Кроме того, в определенной степени переход многих предприятий от крупносерийного к мелкосерийному и единичному производству способствует увеличению объема применения лазерной техники как универсальной, легкоперенастраиваемой и эффективной.

С учетом проведенного анализа, по нашим оценкам, на тракторные заводы России и СНГ в ближайшие три-четыре года возможна поставка 8—10 лазерных комплексов для раскроя стального листа. Это могут быть Чебоксарский, Волгоградский, Онежский тракторные заводы, Курганмашзавод и другие. Что касается лазерной сварки, то возможными потребителями лазерного оборудования являются ОАО «Ростсельмаш», Курганмашзавод, Чебоксарский тракторный завод и другие.

Перспективным представляется расширение объема применения лазерной техники для упрочнения в основном и ремонтном производстве. По нашему мнению количество поставляемых комплексов на период до 2020 года составит не менее 15—20 штук.

Надеемся, что приведенные скромные прогнозные оценки будут откорректированы в недалеком будущем в сторону существенного увеличения.
 

В. М. Журавель, д. т.н., проф., И. Ф. Буханова, д. т.н
ООО «НПЦ «Лазер-Т»
Email: gyrav@sumail.ru

 

Литература

  1. И. Ф. Буханова, В. В. Дивинский, В. М. Журавель Применение лазерного излучения для упрочнения и восстановления деталей сельскохозяйственного машиностроения//Сборник «Лазерные технологии в сельском хозяйстве». «Техносфера». 2008 г.  с. 264—270.
  2. www.ntoire-polus.ru.