Лекция 36. Тенденции развития процессов металлообработки

Точность и надежность, заданная в конструкции детали, прежде всего может быть достигнута правильно выбранным методом и способом обработки. Совершенствование военной техники и требования экономической эффективности промышленного производства определяют направления развития технологий и соответствующие тенденции развития современных станков (Слайд 1), на котором в числителе приведены средние значения характеристик этих станков по ряду основных параметров, а в знаменателе - их возможные перспективные значения.

Анализ таблицы на Слайде 1 показывает, что наибольшие усилия в будущем предполагается направить на повышение скоростей и ускорений наладочных и рабочих перемещений рабочих органов и скоростей резания при работе концевыми фрезами и профильными инструментами. Предполагается значительное повышение частот вращения шпинделя. Однако эти частоты превышают предельно возможные характеристики мотор-шпинделей с существующими сегодня опорами (качения, гидродинамическими, гидро- и аэростатическими и магнитными).

Тем не менее, высокоскоростная обработка уже нашла применение, благодаря применению, наряду с твердосплавным и быстрорежущим инструментом, инструмента, оснащенного синтетическими алмазами, кристаллическим нитридом бора, режущей керамикой, объединенным в группу сверхтвердых режущих материалов (СТМ).

Современные высокоскоростные станки пока обеспечивают эффективную высокоскоростную чистовую обработку инструментом, оснащенным СТМ. Однако происходит быстрый прогресс в совершенствовании режущего инструмента по основным направлениям (Слайд 2). По их достижении диапазоны скоростей резания для высокоскоростной обработки различных материалов могут сдвинуться к величинам, показанным на Слайде 3.

Широкие возможности шлифования связаны с увеличением скорости съема металла в 5 – 10 и более раз при сохранении требуемых параметров точности и качества обработки.

Скорости резания при высокоскоростном шлифовании V_кр = 80 – 160 м/с и скорости подач до 10 м/мин, которые в 100 – 1000 раз превышают показатели производительности традиционного шлифования.

При высокоскоростном шлифовании резко уменьшается время контакта абразивного зерна с обрабатываемой деталью и образующейся стружкой и увеличивается доля «холостого хода» абразивного зерна, в течение которого оно существенно охлаждается. Эти процессы приводят к тому, что до 60 процентов тепла, выделяющегося при шлифовании, отводится из зоны резания в абразивный круг и через него - в охлаждающую среду.

Применение новых абразивных материалов (например, на основе кубического нитрида бора) с меньшими радиусами округления режущих кромок позволяет существенно уменьшить толщины срезаемого слоя и величину застойных зон. Это также способствует повышению допустимых скоростей резания. Другим важным решением является применение высокопористых абразивных кругов.

Высокоскоростная обработка реализуется в основном на станках для фрезерования штампов и пресс-форм, а также для изготовления сложнопрофильных изделий авиационно-космической отрасли.

Основными преимуществами высокоскоростной обработки являются: а) повышение производительности обработки за счет исключения операций шлифвования; б) обеспечение все возрастающих требований к качеству поверхностных слоев деталей за счет уменьшения термических деформаций.

Нынешний уровень техники показывает, что сегодня при эксплуатации станков используется 75% энергии для базисной нагрузки и только 25% для самого производственного процесса. Из этого следует, что сокращение энергетических потерь возможно посредством оптимизации управления технологическими процессами с достижением экономии энергоресурсов более 15%.

В конкретных производственных условиях первичная энергоэффективность возникает благодаря сокращению цепочки производства и замене технологий производства. Большие резервы энергоэффективности при производстве машиностроительной продукции заключены в увеличении степени использования производственных мощностей (Слайд 4).

Сегодня по коэффициенту энерговооруженности труда (отношению количества потребленной в производстве энергии в кВт·ч к числу отработанных рабочими человеко-часов) Россия отстает от развитых в промышленном отношении стран в 5-6 раз.

Своевременное обновление основных средств путем приобретения нового и модернизации старого металлообрабатывающего оборудования способствуют разрешению противоречия, возникающего при одновременном решении задач снижения энергопотребления как способа снижения себестоимости продукции, и повышения энерговооруженности как важного условия роста производительности труда.

Например, приобретение многоцелевого станка с ЧПУ мощностью 22 кВт взамен 4 универсальных станков с суммарной мощностью 31 кВт приводит к уменьшению численности обслуживающего персонала с 8 до 2 человек. Выпуск аналогичной продукции при этом возрастает в 2,3 раза за счет эксплуатации нового оборудования в 2 смены с минимальным вмешательством обслуживающего персонала. При этом производительность труда вырастает в 5,75 раза при снижении энергопотребления в 1,4 раза.

Дальнейшая оптимизация требует использования принципиально новых методов обработки материалов взамен традиционных.

В последнее время созданы новаторские технологии, принцип которых заключается в том, что изделие создается при помощи послойного добавления материала различными способами, например,  наплавляя или напыляя порошок, жидкий полимер, композитный материал. Такие технологии, называемые аддитивными («добавляющими»), позволяют получать внутренние полости различной конфигурации и сочетать в одном изделии самые различные материалы.

Изготовление изделий методами аддитивных технологий с использованием лазера называется селективным лазерным плавлением (СЛП) и обеспечивает изготовление трехмерных объектов с определенными механическими свойствами из металлических порошков (в том числе наноструктурированных). Конченые свойства материала изделия после процесса спекания сопоставимы со свойствами исходного монолитного материала. 

При помощи технологии СЛП можно получать биметаллические изделия за счет переменной подачи разного порошка, например медного и из нержавеющей стали. Технология селективного лазерного плавления применяется как для быстрого прототипированию, так и мелко- и среднесерийного производства промышленных изделий. 

Особенность производства указанным методом заключается в том, что данная технология не требует предварительного трудоемкого процесса технологической подготовки производства. Изделия сложной геометрической формы создаются непосредственно на основе САПР в течение нескольких часов и не требуют дополнительной механической обработки на станках.

Технология СЛП обеспечивает изготовление деталей с высокой точностью в полном соответствии с техническими требованиями к изделию и механическими свойствами, указанными в 3D-модели.

В начале технологического процесса изготовления (Слайд 5) создается компьютерная 3D-модель изделия в САПР. Специальное программное обеспечение формирует из данной модели множество слоев (сечений), которые параллельны плоскости рабочего стола установки и соответствуют послойному расстилу порошка в устройстве. Порошковый материал при помощи специального распределителя расстилается тонким слоем толщиной в несколько десятков микрон на рабочем столе установки в соответствии с полученной 3D моделью. Лазер избирательно, в соответствии со сформированной по компьютерной модели траекторией движения, плавит порошок в определенных зонах. В этих зонах порошок спекается и затвердевает. После каждого слоя селективного лазерного плавления рабочий стол опускается на высоту слоя и процесс повторяется. После того, как изделие изготовлено, его извлекают из установки и очищают от оставшегося порошка.