Курсы валют ЦБ РФ

 Планетарные фрезы: инновация в сфере производства режущих модулей для дорожно-строительной техники
 

Планетарные фрезы: инновация в сфере производства режущих модулей для дорожно-строительной техники

Резание – один из наиболее старых способов обработки твердых материалов, основанный на использовании механического движения инструмента относительно обрабатываемой поверхности. Принципиально этот процесс не изменился за время своего существования. Независимо от метода обработки и вида инструментального материала и инструмента, взаимодействие последнего с обрабатываемым материалом рассматривается как взаимодействие трущихся поверхностей. Однако и здесь находится место для оригинальных разработок и инноваций, позволяющих значительно увеличить производительность и прочностные характеристики режущего инструмента. О развитии инновационного направления в сфере производства дорожно-строительной техники, основных узлов и агрегатов, а также о конкретных инновационных разработках в этой области пойдет речь в нашей статье.

Президент России Дмитрий Медведев сформулировал четыре опорных пункта внутренней политики, известные теперь как «четыре «И», где инновации играют не последнюю роль:

1. Институты. Преодолеть правовой нигилизм, особое внимание уделить качеству законов и эффективности правоприменения.

2. Инфраструктура. Радикально снизить административные барьеры.

3. Инвестиции. Построить мощную и самостоятельную финансовую систему, которая в перспективе станет одним из столпов финансовой стабильности в мире, превратить рубль в одну из региональных резервных валют

4. Инновации. Облегчить налоговое бремя в целях стимулирования инноваций и частных инвестиций в человеческий капитал.

Неразвитость инфраструктуры

На прошедшей в июне этого года в Екатеринбурге Сессии практического консалтинга по инновационному менеджменту Владимир Зинов, декан Факультета инновационно-технологического бизнеса АНХ при Правительстве РФ выделил факторы, ухудшающие «стартовую площадку» инновационной экономики:

1. Российская экономика отстаёт от мировых лидеров по основным «инновационным» параметрам – доли НИОКР в ВВП, «патентной активности», пр.

2. Потеря позиций в сферах, объявленных национальными приоритетами – сокращается количество патентов на нанотехнологии

3. Сокращается количества научных кадров и статей.

4. Россия обладает преимуществом в экспорте средне-низких технологий, что отражается на технологической структуре экспорта: преобладает продукция добывающей промышленности и низкотехнологичных отраслей (более 80% экспорта).

Кроме того, он обозначил проблемы системного характера, препятствующие развитию инновационного сектора экономики:

1. Неоптимизированная структура государственных научных учреждений, отсутствие в них стимула к коммерциализации инноваций.

2. Высокая доля государства в финансировании НИОКР и одновременное владение нерезидентами более 65% российских патентов.

3.Неблагоприятный для инновационной деятельности налоговый режим.

4.Не решены вопросы закрепления интеллектуальной собственности.

«При огромных национальных и зарубежных ресурсах для инвестирования и высоком научно-техническом потенциале в России острейший дефицит инновационных бизнесов, готовых к венчурному инвестированию, - отметил Владимир Зинов. - Количество венчурных сделок в России, состоявшихся в 2007 году - менее пяти. Потребность с учетом создаваемых венчурных фондов 100 – 200 инновационных компаний в год».

Несмотря на препятствия

Несмотря на все трудности развития инновационной инфраструктуры в российской экономике, все же количество разработок, претендующих на коммерциализацию с каждым годом увеличивается, растет число и малых инновационых фирм, продвигающих свои ноу-хау в рыночных условиях. Не исключение в этом случае и Уральский регион.

По данным Фонда поддержки стратегических исследований и инвестиций УрФО число созданных в УрФО передовых технологий можно выразить в следующем графике:

 

Планетарные инструменты

Как пример инновации в области производства режущих модулей для дорожно-строительной техники стоит рассмотреть проект «Планетарный режущий инструмент для обработки асфальтовых дорог, гранитных и мраморных плит», разработанный сотрудниками кафедры «Станки и Инструмент» Южно-Уральского государственного университета, г. Челябинск. Авторы проекта: Мавлет Гатитулин, инженер кафедры «Станки и Инструмент» ЮурГУ, Петр Мазеин, профессор и Сергей Сметанин, доцент кафедры.

По словам руководителя проекта, Мавлета Гатитулина, ротационные инструменты представляют собой подшипниковые узлы с круглыми режущими элементами (чашками), крепление корпуса подшипникового узла к державке образует ротационный резец, установка подшипниковых узлов в круглом плоском корпусе представляет собой торцовую ротационную фрезу.

«Отличительной особенностью ротационного резания, - продолжает Мавлет Гатитулин, - является вращение режущей чашки в подшипниковом узле под действием сил резания при сохранении других основных движений резания, т. е. скорости и подачи».

Теоретические исследования ротационного резания на примере торцового фрезерования выявили его преимущества по отношению к резанию призматическими ножами:

·   величина скорости трения скольжения круглого режущего лезвия при круговом движении при определенных технологических условиях не превышает скорость движения подачи; это снижает работу сил трения скольжения по износу режущих элементов и повышает стойкость ротационных инструментов до 3–4 порядков;

·   тангенциальная составляющая силы резания создает для режущей чашки крутящий момент, снижая тем самым свою работу по износу режущего лезвия путем его обновления в рабочей зоне;

·   выявлены взаимосвязи между силами сцепления, скольжения и качения (или проскальзывания).

Экспериментальными исследованиями при обработке углеродных материалов выявлено повышение стойкости до 3-х порядков, т.е. в тысячи раз, вследствие снижения тангенциальных составляющих силы и скорости резания.

Кинематические особенности работы ротационных инструментов позволяют использовать их совместно с другими, например, с абразивными инструментами, что обеспечивает процесс фрезерования и шлифования одновременно одним торцовым инструментом.

Ротационные фрезы

На кафедре «Станки и инструмент» ЮУрГУ разработаны и испытаны три группы ротационных инструментов: токарные резцы, торцовые фрезы и комбинированные фрезерно-шлифовальные головки.

Именно ротационная фреза позволяет производить сплошное фрезерование дорожного полотна и содержит механический привод на каждую чашку, что обеспечивает ее принудительное планетарное вращение и в рабочем и в холостом режимах. «Это приводит к более качественному и производительному снятию слоев асфальта без вырыва щебня из связки. При этом достигается необходимый уровень шероховатости при обработке асфальта», - поясняет Мавлет Гатитулин.

Эта технология позволяет создавать сменные фрезерные модули для обслуживания дорог и ямочного ремонта на глубину до 20 мм. Планетарный режущий инструмент может использоваться при обработке асфальтовых поверхностей, восстановлении некачественных и устаревших дорожных покрытий.

По мнению Мавлета Гатитулина, при традиционном резании работа сил трения скольжения приводит к интенсивному износу режущих лезвий с выделением значительного количества тепловой энергии. При нагреве инструмента снижаются его режущие свойства. «Ротационные инструменты максимально снижают при определенных технологических условиях работу сил трения, - продолжает разработчик, - уменьшают температуру в зоне обработки, снижают энергоемкость процессов резания, что способствует снижению температуры резания».

Ильяс Падерин, директор Уральского Регионального Центра Трансфера Технологий так выразил свою оценку деятельности челябинских разработчиков: «Проанализировав существующее асфальторежущее оборудование, выпускаемое отечественными и зарубежными производителями дорожной техники, сотрудники кафедры «Станки и инструмент» ЮУрГУ создали новые технологии фрезерования дорожных поверхностей. Были разработаны модернизированные комплексы по снятию асфальтового покрытия на ремонтируемых участках автодорог с использованием уникальной технологии резания с применением специальных ротационных фрез».

Преимущества применения ротационного режущего инструмента по сравнению с существующими фрезами:

·   повышение стойкости рабочих элементов в несколько раз;

·   повышение производительности обработки в 2-5 раз;

·   улучшение качества обработки;

·   снижение энергоемкости процессов обработки резанием;

·   снижение расхода инструментальных материалов;

·   эксплуатационные издержки на содержание рабочих режущих элементов снижается на 50%;

·   дробление грунта до готовых фракций;

·   снижение усилий резания и расширение технологических возможностей.

«Фреза срезает определенный слой очень качественно, быстро и равномерно. – продолжает Ильяс Падерин. - Данный ротационный режущий инструмент имеет принципиально новые конструктивные особенности. Конструкторская мысль в этом направлении у создателей новой технологии работает очень эффективно. Таким образом, была решена проблема безопасного и качественного фрезерования старого покрытия в целях ремонта дорожного полотна».

В настоящее время на кафедре «Станки и инструмент» ЮУрГУ под руководством инженера Мавлета Гатитулина изготовлены лабораторные образцы планетарных фрезерно-шлифовальных головок, проведены лабораторные испытания по фрезерованию асфальтового полотна.

Команда разработчиков под руководством Мавлета Гатитулина имеет большой опыт в проведении исследовательских работ по обработке резанием различных материалов, достаточное количество методик по исследованиям динамики резания природных материалов, опыт в проектировании и изготовлении инструментов, производственную базу, сырье и комплектующие, необходимые для реализации проекта. Срок окупаемости проекта составляет 1-З года в зависимости от варианта внедрения.

Примеры освоения разработок

На Новосибирском электродном заводе в 1995 г. внедрен ротационный резец при обработке углеродных заготовок. Достигнуто повышение стойкости до 10 раз. Получены исходные данные для  расширения объемов внедрения на других металлургических заводах;

На Челябинском электродном заводе в 1991 г. внедрена ротационная фреза при  обработке коксовых углеродных пластин. Также достигнуто повышение стойкости до 10 раз  и повышение производительности до 2-х раз;

На Челябинском заводе КПД и СК в 2000 г. проведены опытно-промышленные испытания ротационной фрезы при обработке железобетонных плит  перекрытия. На заводе используется торцовая головка с тремя абразивными сегментами. После обработки 4–6 плит сегменты заменяются. Стойкость режущих колец из стали Р6М5  на ротационной фрезе превысила стойкость абразивных сегментов более чем в 25 раз.

Разнообразие в использовании

Планетарный режущий инструмент может использоваться не только  при ремонтах дорожных покрытий, он имеет широкую оласть применения. В лабораторных условиях опробована работа комбинированного инструмента при обработке мрамора, гранита, электрокорунда белого, угля. Режущие чашки выполнялись из твердого сплава ВК8, инструментальных сталей У7А, Р6М5. получены исходные данные для внедрения инструментов при обработке различных строительных материалов, в том числе доменных блоков при скоростях подачи до 2000 мм/мин. Теоретические и экспериментальные исследования и наработанный промышленный опыт позволяют рекомендовать инструменты для внедрения на предприятиях Челябинской области:

·              ротационные резцы на металлургических заводах: «МЕЧЕЛ» (г. Челябинск), «Уральская кузница» (г. Чебаркуль) при токарной обдирке крупных заготовок перед поставкой их потребителям;

·              ротационные фрезы при обработке различных строительных материалов, каменных плит, ступеней, бордюров с использованием стандартного металлорежущего оборудования;

·              комбинированный инструмент при изготовлении каменных плит на итальянском оборудовании, широко представленном в городах Коелга, Верхний Уфалей, Озерск, Челябинск;

·              комбинированный инструмент при обработке доменных блоков и блоков для алюминиевых электролизеров, изготавливаемых на ЧЭЗе и ЧЭМК;

Ротационные и комбинированные инструменты, возможно, использовать при изготовлении сменных навесных модулей для ремонта и содержания дорог на базе тракторов МТЗ-82, МКСМ-800 и др. При этом могут быть реализованы следующие варианты навесного оборудования:

·   оснащение бурового оборудования ротационным сверлом или фрезой обеспечит повышение стойкости инструмента и производительности обработки;

·   выполнение рыхлителей в виде ротационных фрез позволит повысить производительность по разрушению абразивных и ледовых покрытий дорог;

·   использование фрезерного модуля для съема дорожных покрытий, нанесения на полотно взлетно-посадочных полос аэродромов специальных профилей для улучшения сцепления колес самолетов при их посадке;

·   оснащение уборочной машины щеткой в виде ротационной иглофрезы обеспечит высокую износостойкость щетки;

·   выполнение рабочего органа баровой цепи в виде ротационных резцов расширит технологические возможности тракторов при прокладке газо- и водопроводов, сетей канализации в твердых и мерзлых грунтах, планировочных и земляных работ.

Использование ротационной фрезы и (или) комбинированной головки на специальной платформе позволит производить обработку рельсов железнодорожных путей с выполнением специального микрорельефа на головках рельсов на участках крутого подъема для улучшения сцепления колес с рельсами, посыпанными песком.

В машиностроении при изготовлении различных деталей эффективное применение инструментов затруднено из-за поточного производства и малого объема экспериментальных исследований. Экономика УрФО базируется на производстве черных металлов, поставляемых в другие регионы России и на экспорт. В регионе имеется мощный машиностроительный комплекс, способный осуществлять более глубокую переработку металлов и производить различные машины, востребованные рынком и способные заменить импортное оборудование. Изготовление более дешевого камнеобрабатывающего оборудования, производство на нем гранитных, мраморных плит из собственного сырья позволит создать конкурентоспособную продукцию и организовать новые рабочие места на новых малых предприятиях. Изготовление новых модулей для коммунальных машин на  базе ротационных инструментов также будет способствовать расширению рынка их сбыта и созданию новых рабочих мест. Освоение  производства предлагаемых технических решений, их доработка в условиях рыночной конкуренции позволит в перспективе расширить географию рынков как внутри страны, так и за рубежом.

Ирек Давлетшин

В статье использованы материалы кафедры

«Станки и инструмент» ЮУрГУ,

Фонда поддержки стратегических исследований

и инвестиций УрФО, Сессии практического консалтинга

по инновационному менеджменту