Курсы валют ЦБ РФ

 Ротационное резание – энергоэффективные технологии для машиностроения
 

Гатитулин М.Н.,  Стрельцов Ю.Н., Овчинников А.Л.   

ООО «Инструментально-механический завод» г. Невьянск  Свердловской обл.  

РОТАЦИОННОЕ  РЕЗАНИЕ – ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ МАШИНОСТРОЕНИЯ

Современный технический прогресс   базируется на использовании новых композиционных  и   труднообрабатываемых материалов.  Потребности общественного производства  стимулируют развитие обрабатывающей  промышленности и дальнейшего развития   инструментальных технологий.  Среди  приоритетов модернизации экономики и технологического развития Российской Федерации энерго и ресурсосбережение, глубокая переработка сырья занимают важное место. Какими средствами это можно осуществить?  Промышленность развитых стран Запада  стоит на пороге 6 технологического уклада, основанного в том числе и на  использовании  в машиностроении  порошковой металлургии и нанотехнологий.  Исходным сырьем для них являются металлические порошковые материалы, но их производство малопроизводительно и энергозатратно.

Существование человека и производство  продуктов, необходимых и полезных для его жизнедеятельности  всегда сопровождается  образованием отходов как материальных, так и энергетических.  Последний  экономический кризис подтвердил необходимость реорганизации сырьевых и перерабатывающих отраслей  Уральской экономической зоны, их перевода на инновационную ступень развития, характерную для стран с развитой экономикой.

Теоретические   предпосылки. Резание – один из широко применяемых в машиностроении способов обработки металлов,  основанный на использовании механического движения инструмента относительно обрабатываемой заготовки. Принципиально этот процесс не изменился за все время своего существования,  внедрение режущего клина в обрабатываемую заготовку  для удаления с него части материала представляет собой взаимодействие трущихся поверхностей: одна из них, принадлежащая инструменту непрерывно скользит по другой, принадлежащей  заготовке или наоборот. Поэтому процесс резания – это процесс  трения сопрягаемых поверхностей инструмента и детали,  механическое движение исчезает, но появляется в виде качественно новой формы движения – теплоты. Диспергирование или разрушение  материала также сопровождается  выделением теплоты.

С одной стороны, происходит нагрев детали и облегчается процесс резания вследствие снижения  прочности обрабатываемого материала. С другой стороны - происходит нагрев инструмента,  твердость инструментального материала также снижается и повышается его износ.  Как устраняются эти противоречия?

Практические задачи по реализации технологий ротационного резания для различных производственных целей основываются нами на комплексе теоретических и экспериментальных исследований по  работе  ротационными инструментами.  Отличительной особенностью   ротационного инструмента является вращение круглой режущей пластины под действием сил резания, это   снижает нагрев и интенсивность износа  инструмента.  Экспериментально подтверждено снижение интенсивности самовращающегося режущего лезвия  резца в сравнении  его жесткому креплению на три порядка, т.е. в тысячи раз. Создаются предпосылки для многократного повышения производительности обработки  путем создания нового металлорежущего оборудования с повышенными кинематическими характеристиками  основных и дополнительных движений процессов резания.

На базе развития ротационных технологий, инновационной сущностью  которых является  работа сил трения по замедлению износа рабочих инструментов в обрабатывающих технологических процессах, назрела необходимость создания прорывных технологий  в различных промышленных отраслях.

Состав ротационных инструментов в общем виде определяется наличием принудительно и свободно вращающихся рабочих чашек, выполненных из инструментальных режущих или абразивных материалов и состоящих в различных комбинациях между собой для выполнения разнообразных технологических операций. Это фрезерование, точение, сверление или бурение, шлифование и полирование как раздельно, так и совместно в разнообразных комбинациях.        

Рекомендуемые области использования это:

  • машиностроение: обработка деталей резанием, производство порошков и волокон  ротационным измельчением, изготовление различных машин и агрегатов, оснащенных модулями ротационного резания для работ в разнообразных отраслях,
  • строительная индустрия: обработка каменных и железобетонных плит,
  • металлургия: обработка блоков для домен и электролизеров, производство порошково-волокнистых материалов для порошковой проволоки и брикетированных ферросплавов,
  • коммунально-дорожная техника с ротационными модулями для обслуживания дорожного хозяйства по удалению мусора, снега и наледей в любое время года,
  • железнодорожная техника: модули по обработке головок рельсов, бурения ям для столбов, измельчения кустов и деревьев вблизи рельсовых путей,
  • буровая и горная техника:  бурение  и  проходка  шахт  в  скальных грунтах и при добыче полезных ископаемых и многое другое.  

Цеховые испытания ротационных фрез и резцов. Для проверки  отдельных  теоретических положений по ротационному резанию на ООО «Инструментально-механический завод»,  г. Невьянск, Свердловской области  проведены опытно-промышленные испытания по  ротационному измельчению различных пластичных и хрупких материалов.  Измельчение, как технологический передел широко распространен в горном деле в строительстве и др отраслях при измельчении хрупких материалов. Измельчение пластичных металлов ударным воздействием  не применяется, но используется для доизмельчения некоторых цветных металлов.    

Обработка камня. Необходимость опытных испытаний обусловлена тем, что станочное оборудование и инструменты, используемые в России, преимущественно импортные,  поточные линии из Италии или Китая, алмазные  инструменты  - из США, Италии, Украины и т.д. Для  повышения  конкурентоспособности отечественного оборудования необходимо техническое переоснащение предприятий камнеобработки собственным оборудованием, превосходящим зарубежное  как по производительности, так и по качеству обработки.  Для  этого необходимы новые технологические приемы:

черновая обработка мраморной    балясины (рис. 1) самовращающимся ротационным резцом подтвердила возможность и целесообразность использования  инструментальных сталей,  чугунов,  твердых сплавов при ротационной обработке природных камней без применения охлаждения жидкостями.

Рис.1.  Обточка мрамора.  Рис.2. Фрезеровка  плиты.

Обработка  (рис.2)  мраморной плиты ротационной фрезой показала возможность снятия одним лезвием припуска на обработку, по величине равным алмазной фрезе. 

Данные исследования подтвердили возможность создания отечественного оборудования для обработки изделий из натурального камня на базе инструментов ротационного резания. Оно будет отличаться от импортного меньшим количеством инструментальных шпинделей.

Дополнительно выявлено, что   порошковые  фракции  мрамора  пригодны в качестве натуральной кормовой добавки в птицеводстве,  животноводстве и как  минеральное удобрение в растениеводстве.

Измельчение металлов.  Испытания резца (фиг.3) и фрезы (фиг.4) по измельчению  заготовок алюминия на порошки проведены на токарном и фрезерном станках.    Фракционный состав порошков алюминия находился в пределах, пригодных для их использования  в технологиях порошковой металлургии – это 200 – 400 микронов, в алюмотермии – это 0,1 – 2.0 мм.    Подтверждена также возможность производства (рис. 5,6)  волокон алюминия на токарном станке. Предварительно измельченный алюминий можно использовать для его доизмельчения на алюминиевую пудру на применяемых планетарных и шаровых мельницах. Нами не исключается возможность прямого измельчения алюминия на пудру, но для этого необходимо обеспечить условия техники безопасности для предотвращения возможности взрыва.

Рис.3. Обточка  алюминия  на порошки.  Рис.4. Фрезерование  алюминия на порошки  

Рис.5. Изготовление волокон.  Рис.6. Волокна  алюминия.

При обработке чугунной заготовки опытной ротационной фрезой с принудительным вращением зубчатых режущих чашек  (рис.7) на вертикально фрезерном станке припуск на проход заготовки назначался  минимально возможным для  станка  -  50 микронов. Чугунный  порошок  отделялся от заготовки  в режиме отслаивания  и не разбрасывался вокруг станка.    Возможность достижения  микронных фракций хрупких материалов  подтвердилась также обточкой гранита ротационным резцом с зубчатой режущей чашкой (рис.8). Пылевидные фракции гранита находились в воздухе во взвешенном состоянии и медленно оседали на станок. 

Рис.7. Измельчение чугуна фрезерованием.  Рис.8. Обточка  гранита.

На рис. 9,10  представлены  фотографии измельчения на порошки латуни и меди.  Необходимость их измельчения была вызвана необходимостью получения чешуйчатой формы порошка. Измельчение особо чистого цинка стальными режущими чашками показали отсуствие загрязнения порошка цинка инструментальным материалом.

Рис. 9. Измельчение латуни. Рис.10. Измельчение меди.

При производстве фундаментов ответственных зданий, например банков, при строительстве мостов и дорожного полотна востребована стальная и полипропиленовая фибра для изготовления фибробетонов. Фрезерование стального листа (рис.11)  на фибру (рис.12) и  измельчение полиэтилена (рис.13) подтвердило  возможность  производства фибры на фрезерных станках.       Нержавеющая фибра (рис.14) востребована при производстве огнеупоров, спецбетонов и других композитов. 

Рис.11.Фрезерование листа на фибру. Рис.12. Фрезерованная  фибра.

Рис.13. Измельчение полиэтилена на волокна  (фибра).  Рис.14. Измельчение нержавеющей стали на волокна (шерсть).

Рис.15. Фрезерование  древесины.    Рис.16. Обточка древесины. 

Проведены опытные работы (рис.15,16) по измельчению древесины на пыль фракциями до 20 – 30 микронов. Она востребована для производства биотоплива и др.

Рис.17. Торцовка силицированного графита.  Рис.18. Обточка силицированного графита.

Технологические возможности по обработке сверхтвердых абразивных материалов опробованы при токарной обработке силицированного графита режущей чашкой из закаленной инструментальной стали (рис.17, 18). Технология ротационного резания может обеспечить лезвийную обработку любых абразивных материалов.

Лабораторные  исследования по порошкам.  Размерная оценка порошков при наладке режимов измельчения производилась в заводской лаборатории на оптическом инструментальном микроскопе.  Отдельные образцы порошков просеивались на ситах и передавались для размерного анализа  на электронных микроскопах специализированным организациям Свердловской, Челябинской  и Пермской областей. На рис.7  представлены образцы микропорошков ст. 45  с указанием размеров отдельных чешуек, на рис.8 гистограмма распределения размеров порошка ст.10Х18Н10Т,  на рис. 9 – размер отдельной чешуйки.

Рис.19. Порошок. Рис.20. Гистограмма.  Рис.21. Ст.10Х18Н10Т                                                                 

Определены гистограммы распределения пылевидных фракций порошков из различных материалов.   Для углубления исследований по  промышленному  производству  порошков  фракциями на уровне наноразмеров, т.е. до 0,1 мкм  необходимо  создание специализированного оборудования, работающего в закрытой инертной зоне либо с использованием  специальных жидких сред,  исключающих  взрывоопасность  продуктов измельчения.

Высокая прессуемость порошков алюминия (рис.22) позволяет использовать  их в качестве связки при формовании композитов с порошками и волокнами других металлов, в том числе и при изготовлении порошковой проволоки и брикетированных ферросплавов. Наличие волокон толщиной менее 50 микронов (рис.23) и порошков в пределах 100 микронов (рис.19) обеспечит равномерное распределение разнородных металлов по всему объему смеси после их смешения. Тонкодисперстные фракции востребованы в оборонных отраслях при создании композитов и др.

Рис.22. Прессуемость порошков. Рис.23.Толщина отдельного волокна.

Удаление льда и уплотненного снега.  Для  обслуживания дорожного городского хозяйства на базе типовых  газонокосилки и снегоуборщика испытаны модули ротационного резания  для  механизации  работ по очистке  тротуаров и дорог  от наледей (рис.10) и уплотненного снега (рис.11), работающие без повреждения дорожного полотна, достигаемой  специальной  геометрией заточки режущих чашек.  Разработка и внедрение ручных и универсальных прицепных модулей ротационного резания для уборки снега, льда и производства малого ремонта дорожного полотна позволит создать новую линейку коммунально-дорожной техники, обладающую  высокой производительностью и качеством выполняемых работ, уменьшить или исключить применение ручного труда.

Рис.24. Удаление льда. Рис.25. Удаление уплотненного снега.

Выводы:   Ротационное измельчение  материалов  соответствует  приоритетам модернизации экономики и технологического развития Российской Федерации,  являются энерго- и ресурсосберегающими  технологиями,  измельчение производится  без угара и загрязнения продуктов измельчения.  Продукты измельчения  имеют формы и размеры,  применимые в нано технологиях и порошковой металлургии, при нанесении  защитных покрытий  по  снижению заметности движущих  объектов и др.

В настоящее время завод  в составе Российской  делегации  готовится на машиностроительную  ярмарку  в БРНО,  10 -14 сентября.   Приглашение в Чехию было получено по результатам   участия на   международных выставках  и награждения  проектов :  на Тайване в сентябре 2011 г. (золото, единственное у россиян);   в Москве:  Архимед,  март 2012 г. (2 серебра);    Малого и среднего бизнеса, апрель 2012 г. (медаль лауреата).  В июне 2012 г.  принимали участие на  форуме   Россия – Европа,  проводимого  Московским Правительством,  к  нашим технологиям проявили интерес зарубежные и отечественные инвесторы.