Технический уровень и экономика производства
Комплексный подход к материаловедению
Проблема обеспечения соответствующего технического уровня и экономичности производствастанков — это не изолированная задача. Она составляет часть общей проблемы технологии машиностроения и должна рассматриваться в органичной взаимосвязи со всеми элементами: от заготовительного производства до сборки и испытаний готовых машин.
Почему это важно? Потому что нельзя улучшить один элемент системы, игнорируя остальные. Все взаимосвязано.
Для эффективного решения проблемы необходимы конструкционные материалы принципиально нового технического уровня. Материалы должны сочетать различные эксплуатационные свойства: механические, физические, триботехнические и другие.
Особое значение приобрели также технологические свойства материалов как объектов автоматизированной обработки. Автоматизация диктует свои требования — это факт.
Два пути развития материалов
От совершенствования к инновациям
Для прогресса в области материалов и технологий формирования их эксплуатационных свойств характерны два общих направления.
Первое направление — совершенствование традиционных материалов и технологических процессов. Цель: повысить эксплуатационные свойства, технологичность и экономичность, а также максимально приспособить к конкретным условиям применения.
При этом на основе последних достижений науки удается разрешить давние противоречия между эксплуатационными и технологическими свойствами материалов. То, что раньше казалось невозможным, становится реальностью.
Второе направление — создание принципиально новых материалов. Сюда входят:
- Конструкционная керамика (оксидная, нитридная и др.)
- Композиционные материалы (композиты) на основе высокомодульных волокон, в частности углеродных
- Композиты на основе дискретных наполнителей, например гранитной крошки
Разнообразие подходов впечатляет. Но каждый материал требует своего времени и технологий.
Национальные программы и инвестиции
Государственная поддержка инноваций
Применение указанных материалов является весьма сложной технической и экономической задачей. Не случайно в промышленно развитых странах реализуются крупные национальные программы по проблеме применения перспективных конструкционных материалов в станкостроении.
В частности, в 90-е годы в Германии реализована специальная национальная программа по применению перспективных конструкционных материалов в станкостроении. На финансирование которой было выделено 1,2 млрд. долларов.
Вдумайтесь в эту цифру! 1,2 миллиарда долларов — это серьезная инвестиция в будущее отрасли. Когда государство вкладывает такие деньги, значит, видит перспективу.
Результат не заставил себя ждать. Немецкие станкостроительные фирмы получили мощную базу для развития и до сих пор лидируют на мировом рынке.
Состав и структура минерал-полимерного композита
Полимер вместо цемента
Одним из таких материалов является минерал-полимерный композит, который широко осваивается в станкостроении промышленно развитых стран.
Минерал-полимерный композит (МПК) или полимерный бетон принципиально отличается от традиционного цементного бетона связующим материалом, а именно полимером вместо цемента. Фирменные названия МПК в станкостроении — гранитан, синтегран и другие.
В состав МПК в качестве наполнителя входит крошка твердокаменных пород (гранита или габродиабаза) нескольких фракций по закону плотной упаковки и полимерное, в данном случае эпоксидное, связующее холодного отверждения.
Полимерное связующее является многокомпонентной системой, содержащей смоляную часть (смола, разбавитель, пластификатор и т.д.) и отверждающий агент.
От качества и количества связующего в составе МПК зависят:
- Ползучесть и склонность к короблению, определяющие размерную стабильность деталей в процессе эксплуатации станков
- Технологические свойства, в частности жидкотекучесть смеси и возможность формования деталей
Важнейшим эксплуатационным свойством МПК является также термоустойчивость эпоксидного связующего. В результате интенсивных работ последних лет удалось повысить предел текучести эпоксидного связующего в 1,5 раза, а термостойкость довести от 40 до 100°С.
Прогресс налицо. Сто градусов — это уже серьезный показатель для полимерного материала.
Рис. 1 Структурная схема работ в области применения перспективных конструкционных материалов (ПКМ) для деталей суперпрецизионных и сверхскоростных станков
Физико-механические свойства МПК
Сравнение с чугуном и гранитом
Основные физико-механические свойства чугуна, МПК и гранита приведены в таблице. Из приведенных данных следует, что МПК и гранит имеют свойства одного порядка.
Однако МПК значительно превосходит гранит по технологическим возможностям формообразования деталей. Это ключевой момент.
| Свойство | Чугун | МПК | Гранит |
|---|---|---|---|
| Прочность | Высокая | На порядок ниже | Высокая |
| Демпфирующая способность | Базовая | В 3 раза выше | Высокая |
| Модуль упругости | Высокий | В 3 раза меньше | Высокий |
| Плотность | Высокая | В 3 раза меньше | Высокая |
| Теплопроводность | Высокая | На 1,5 порядка ниже | Средняя |
| Коррозионная стойкость | Низкая | Высокая | Высокая |
Свойства МПК и чугуна различаются радикально. И оценивать их нужно, как любой конструкционный материал, применительно к конкретной области использования, в данном случае — к станкостроению.
Прочностные свойства МПК на порядок хуже, чем чугуна. Однако, как известно, базовые детали станков рассчитываются на жесткость, а не на прочность. Поэтому эксплуатационные нагрузки в них не превышают 5–10% прочности чугуна.
Зато демпфирующая способность МПК в 3 раза выше, чем чугуна. Это серьезно. Высокое демпфирование означает лучшее поглощение вибраций, а значит — выше точность обработки.
Модуль упругости и плотность МПК в 3 раза меньше, чем чугуна. В результате, при прочих равных условиях детали из МПК и чугуна могут иметь примерно одинаковую массу.
Теплопроводность МПК на 1,5 порядка меньше, чем чугуна, что обеспечивает его высокую термостабильность в условиях кратковременных колебаний температуры.
Преимуществом МПК является также высокая коррозионная стойкость. Ржаветь не будет — это точно.
Сравнение свойств чугуна, МПК и гранита
Преимущества для прецизионных станков
Повышение технического уровня
Применение МПК для базовых деталей станков обеспечивает существенное повышение их технического уровня:
- Повышение точности и чистоты обрабатываемых поверхностей
- Повышение стойкости режущего инструмента, особенно керамического
- Повышение производительности обработки
Три ключевых преимущества. Точность, долговечность инструмента, производительность — именно то, что нужно современному производству.
Почему так происходит? Высокая демпфирующая способность гасит вибрации. Низкая теплопроводность обеспечивает стабильность размеров при колебаниях температуры. Коррозионная стойкость продлевает срок службы.
Все это в совокупности дает реальный эффект. Не теоретический, а практический.
Технология производства деталей
От щебня до готовой детали
Технология производства деталей из МПК относительно проста и включает следующие основные операции:
1. Подготовка щебня. Его рассев по фракциям и подача в смеситель через дозаторы. Точность дозировки критически важна.
2. Смешивание щебня с полимерным связующим. Однородность смеси определяет качество будущей детали.
3. Заливка смеси в форму, в которой закреплены металлические закладные элементы детали. Эти элементы обеспечивают крепление узлов станка.
4. Виброуплотнение смеси в форме. Удаление воздуха, повышение плотности.
5. Выдержка в форме 10–15 часов и извлечение детали из формы. Холодное отверждение — никаких печей.
Проще, чем литье чугуна, это точно. Не нужно плавить металл при температурах выше 1000°С. Не нужна сложная механическая обработка после литья.
| Этап | Длительность | Особенности |
|---|---|---|
| Подготовка наполнителя | Зависит от объема | Рассев по фракциям |
| Смешивание | Несколько часов | Однородность смеси |
| Заливка и виброуплотнение | 1-2 часа | Удаление воздуха |
| Отверждение | 10-15 часов | Холодное, без нагрева |
Экономическая эффективность и окупаемость
Где экономия, а где дополнительные затраты
Значительная экономическая эффективность производства деталей из МПК по сравнению с чугунными отливками достигается за счет таких основных факторов:
- Снижение трудоемкости
- Экономия энергетических ресурсов
- Сокращение производственных площадей
- Снижение загазованности и запыленности
Экология тоже важна. Меньше пыли, меньше газов — лучше условия труда.
Однако есть и дополнительные затраты, связанные с изготовлением закладных металлических элементов, использованием более дорогих полимерных материалов и другими факторами.
В итоге общий баланс таков, что себестоимость деталей из МПК и чугунных отливок одного порядка.
Получается, цена примерно одинаковая. Так зачем тогда переходить на МПК?
Ответ прост: главным преимуществом МПК по сравнению с чугуном безусловно является возможность повышения технического уровня станков. Не экономия на производстве, а качество конечного продукта.
Опыт Carl Zeiss и STUDER
Десять лет упорного труда
Как отмечалось выше, применение нового конструкционного материала, в данном случае МПК, для базовых деталей станков является весьма сложной технической и экономической задачей.
Например, фирма Carl Zeiss (Германия) изготовила измерительную машину, в которой станина и стойка представляет собой 5-тонный моноблок из полимерного бетона.
Пять тонн! Это не шутка.
Чтобы эта машина стала технически совершенной, а ее производство экономически выгодным, фирме потребовалось порядка 10 лет упорного труда.
Десять лет! Не каждый готов столько инвестировать в разработку. Но результат того стоил.
Однако, в конечном итоге, станкостроительные фирмы, освоившие применение новых конструкционных материалов, получают значительный технико-экономический эффект.
Так, например, швейцарская фирма STUDER, первой освоившая производство станин шлифовальных станков из полимерного бетона, обеспечила высокую конкурентоспособность своих станков.
Кроме того, получает значительную прибыль (порядка 30% всей прибыли фирмы) от производства деталей из полимербетона для сторонних заказчиков.
30% прибыли от побочного продукта! Это говорит о многом. Значит, спрос есть и он растет.
Перспективы применения в отрасли
МПК как материал будущего
Таким образом, на основе всего изложенного можно заключить, что МПК является весьма перспективным конструкционным материалом для станкостроительной отрасли.
Что имеем в сухом остатке?
Во-первых, технические преимущества: высокое демпфирование, термостабильность, коррозионная стойкость. Во-вторых, технологические: простота формообразования сложных деталей. В-третьих, экономические: сопоставимая себестоимость при более высоком качестве станков.
Мировой опыт подтверждает: Германия, Швейцария и другие развитые страны уже сделали выбор в пользу МПК. Остальным придется подтягиваться, если хотят конкурировать.
Вопрос не в том, перейдет ли отрасль на минерал-полимерные композиты. Вопрос в том, когда это произойдет и кто успеет первым.
Д.т.н. Шевчук С.А., д.э.н. Смайловская М.С.
ОАО «ЭНИМС», тел. (495) 955-5235, 952-3602, info@enims.ru
