Cтанкостроительные предприятия тяжелого машиностроения РФ сталкиваются с рядом существенных проблем: энерго и ресурсосбережения, повышения ресурса и надежности машин, снижения трудоемкости изготовления и восстановления деталей, защиты окружающей среды, создания конкурентоспособной продукции и др. Их решение является не только необходимым, но и обязательным условием эффективного развития и существования отрасли в целом. Что в свою очередь невозможно без технологической модернизации и внедрения инновационных технологий метало- и термообработки. Низкое качество изготовления ответственных крупногабаритных деталей слишком дорого обходится потребителям.
Большинство российских предприятий тяжелого машиностроения используют оборудование и технологии 50-60 годов ХХ века. Оно работает далеко за пределами нормативных сроков эксплуатации, износ исполнительных поверхностей металлорежущих станков составляет до 80%. При изготовлении крупногабаритных машин необходимо решать вопросы повышения износостойкости зубьев шестерен, валов-шестерен, шлицев, шпоночных пазов, звездочек цепных передач, отверстий, посадочных мест валов под подшипники качения и подшипники скольжения, резьб наружных и внутренних. Технические возможности способов объемной термической обработки, закалки ТВЧ, методов ППД практически полностью себя исчерпали.
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)
Рис. 2 Электромеханическая поверхностная закалка штанги направляющей
для ОАО «Верхнесалдинский чугунолитейный завод»
Рис. 3 Универсальная установка электромеханической обработки мод. «Эталон»
Основными их недостатками являются:
- Необходимость в применении специального дорогостоящего оборудования, приспособлений и оснастки.
- Низкий коэффициент загруженности оборудования, приспособлений и оснастки.
- Высокая трудоемкость процессов термической обработки и последующей финишной механической обработки.
- Необходимость применения квалифицированных специалистов.
- Низкое качество обработки по точности размеров, шероховатости и твердости (прежде всего поверхностного рабочего слоя), нестабильность физико-механических свойств по сечениям поверхностей деталей.
Рис. 4 Фрагмент измерения твердости после электромеханической закалки
Рис. 5 Фрагмент электромеханической закалки плоской поверхности клина фрикционного (чугун высокопрочный)
Рис. 6 Фрагмент электромеханической закалки и упрочняющего электромеханического восстановления отверстия ступицы грузового автомобиля под наружное кольцо подшипника качения
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.
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. Основными апробированными результатами применения технологии электромеханической обработки являются:
- Электромеханическая поверхностная закалка сталей, чугунов, металлопокрытий.
- Отделочно-упрочняющая электромеханическая обработка (ОУЭМО).
- Упрочняющее электромеханическое восстановление.
Рис. 7 Червячное колесо (Ø 505 мм) с электромеханической закалкой зубьев
и внутренний участков пазов (ОАО «Люблинский литейно-механический завод»)
Применение указанных направлений электромеханической обработки позволило:
1. Решить задачу создания единого технологического комплекса операций механической, термической и финишной отделочно-упрочняющей обработки деталей на металлорежущих станках общего и специального назначения на воздухе, без использования охлаждающих жидкостей и защитных сред.
2. Обеспечить гибкое управление параметрами скоростного контактного электронагрева и одновременного горячего пластического деформирования материала поверхностного слоя с целью формирования уникальных быстрозакаленных структур, изменения микрогеометрии поверхности, уменьшения размера зерна, уплотнения пористых слоев, повышения адгезии и когезии покрытий.
3. Изучить природу, механизмы формирования и технологические основы получения высокодисперсной структуры мартенсита (гарденит), насыщенной легирующими элементами и образующейся при высоких скоростях нагрева и охлаждения.
4. Обеспечить локальный нагрев поверхности деталей при пропускании электрического тока, имеющий максимальный тепловой КПД, не требующий длительного печного нагрева, без ограничений по размеру деталей.
5. Исключить дефекты поводки детали и коробления поверхностей, окисления и обезуглероживания поверхностного слоя гладких цилиндрических и плоских поверхностей, а также сложнопрофильных деталей.
6. Формировать градиентную структуру поверхностного слоя деталей с возможностью получать на поверхности твердые износостойкие слой при сохранении исходных свойств нижележащих слоев металла.
7. Разработать и внедрить в машиностроении инновационные технологии формирования наноструктурированных градиентных упрочненных поверхностей деталей с высокими трибологическими свойствами, повышающими износостойкость, прочность, предел выносливости и коррозионную стойкость поверхностей деталей машин и технологического оборудования, что недоступно ни одному из известных методов обработки.
8. Спроектировать и внедрить в производство многофункциональное электросиловое оборудование и приспособления для реализации контактных взаимодействий инструмента с поверхностью деталей различной конфигурации.
9. Разработать рекомендации по выбору всех элементов технологической оснастки с учетом вида ЭМО и стойкости электрода-инструмента, а также конструктивно-технологических режимов обработки в зависимости от основных конструктивных характеристик деталей.
10. Производить упрочняющее восстановление посадочных мест валов и отверстий под подшипники качения при их износе (отклонении размера при изготовлении) до 0,5 мм.
11. Возможность встраивания методов электромеханической обработки в технологические процессы изготовления деталей в комплексе с такими перспективными направлениями как финишное плазменное упрочнение, финишная антифрикционная без абразивная обработка, безабразивная ультразвуковая финишная обработка.
Выполненная работа определила пути нового направления научно-технической политики в области повышения качества и конкурентоспособности предприятий станкостроения РФ.
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