В публикации изложена концепция отечественного модульного станкостроения на основе декомпозиции корпусных деталей оборудования. Использование облачных технологий в области жизненного цикла станков. Ключевые слова: модульное станкостроение, 3D-печать, базовые детали станков, облачные технологии, жизненный цикл станков.
Внедрение информационных технологий в производство получило название «третья промышленная революция», и в настоящее время она подходит к своему завершению. Первой из мировых держав об этом заговорила Германия, озвучив на государственном уровне переход к полностью автоматизированному производству, что означает четвертую революцию в промышленности. Пока речь идет о взаимодействии с потребителем на уровне интернет вещей, проблема глобальной автоматизации кроется в изготовлении средств производства, а именно в саморепликации машин. Эта задача не решается мощностью процессора и объемом передачи данных. Скорость модернизации оборудования зависит от технологических переделов в производстве, и прежде всего в производстве станков.
В станкостроении наибольшая трудоёмкость связана с изготовлением базовых деталей – станин, стоек, саней, столов и плит. Сроки создания новых станков или дублёров весьма длительны именно из-за этих деталей.
По сложившейся традиционной технологии после утверждения конструкции станка начинается разработка модельно-литейной технологии, которая занимает 1,5-2 месяца (для примера, количество литых деталей в станке 2а622пмв-4 достигает 170 наименований). После этого еще около полугода уходит на изготовление модельных комплектов на эту операцию. Процессы формообразования, начиная от подготовки кессонов и крупной опочной оснастки, занимают много времени. Они весьма затратные и трудоёмкие. Как минимум в течении одной рабочей недели изготавливают крупные формы, стержни и тратят время на их сборку (количество стержней в форме достигает 100 шт.), после этого происходит заливка и охлаждение отливки в форме. Особенно важен процесс охлаждения отливки до её выбивки. Точных научно обоснованных расчётов для определения времени охлаждения сложных крупных отливок нет. Из многолетнего опыта для отливок станкостроения рекомендуется выдерживать отливку из расчёта 3-4 т/сутки. Нарушение процессов охлаждения приводит к возникновению значительных внутренних напряжений, которые в свою очередь являются причиной возникновения различной величины коробления, трещин и даже разрушения отливок. Длительные циклы охлаждения (например, 30-ти тонная отливка лежит в форме 10 суток) влекут за собой непроизводительные потери рабочего времени, ухудшение технико-экономических показателей, увеличение себестоимости литья и конечной продукции.
Последняя операция – удаление стержней, обрубка и очистка отливки – очень трудоемка, сложно поддается автоматизации по причине единичного и мелкосерийного производства, а это всегда создаёт дефицит рабочей силы. Станкостроители предъявляют достаточно жёсткие требования к качеству отливок, особенно к качеству направляющих базовых деталей, от которых зависят точностные характеристики станка при обработке заготовок и долговечность сохранения этих параметров.
Обязательно необходимо учитывать следующие факторы:
• направляющие должны быть зеркально чистыми после финишной механической обработки;
• твёрдость направляющих должна быть в пределах 180-200 НВ;
• микроструктура должна соответствовать ОСТ в зависимости от массы отливки и условий работы станка;
• базовая деталь должна обладать высокой демпфирующей способностью.
При изготовлении таких отливок литейщики сталкиваются с рядом сложностей и технологических противоречий. Получить твёрдость 200 НВ в массивной части станины (толщина 80-120 мм) при строго перлитной структуре очень сложно. Для этого необходимо выплавлять легированный чугун марки СЧ30 (легирующие компоненты – хром, никель, медь, молибден). При этом в тонких частях отливки образуется цементит и междендритный графит, что по техническим условиям недопустимо. Опорная часть станин и стоек должна обладать высокой демпфирующей способностью, т. е. изготавливать их необходимо из чугуна с высоким углеродным эквивалентом (СЧ15). В цельнолитых отливках из одного расплава достичь таких характеристик крупной отливки практически невозможно. Для решения этой проблемы в 1967 году Ленинградским станкостроительным производственным объединением им. Я. М. Свердлова совместно с Киевским Институтом проблем литья был освоен метод двуслойной заливки крупногабаритных станин и стоек координатно-расточных станков моделей 2А470 и 2А460 из двух различных марок чугунов. Направляющие заливались легированным чугуном марки СЧ30, а остальная часть формы – из другого ковша чугуном марки СЧ18-36 (маркировка по стандарту 1976 г.). Заливка производилась в разные литниковые чаши с интервалом 30-40 сек при температуре +1280 °С –1300 °С. Это вызывало особые технологические сложности – требовало высокой организованности производства и наличия раздельных плавильных агрегатов. Не каждый станкостроительный завод Минстанкопрома мог освоить такого рода инновационную технологию. Производство заготовок станкостроения за границей было аналогично технологиям Советского Союза. Стоит отметить, что и до настоящего времени кардинальных изменений не возникло ни в России, ни за рубежом.
Направленное развитие промышленности требует иного подхода к созданию агрегатов тяжёлого машиностроения, металлообрабатывающего и кузнечно-прессового оборудования. Один из вариантов решения проблемы – переход на модульное производство станков из унифицированных литых заготовок. Необходимо сложные многостержневые цельнолитые конструкции станин, стоек, коробок скоростей заменить на набор типовых элементов. Декомпозиция крупных деталей широко применялась в индустриальном производстве. Это был единственный способ обойти ограничения по габаритам в литейном производстве и в области механической обработки. Производство крупных уникальных станков возможно только в виде сборной конструкции (рис. 1).
В силу широкого распространения формовки в кессонах и наличия парка крупных опок вопрос декомпозиции не стоял так остро. Механическая обработка была ориентирована на человека, и по возможности ее объем старались сокращать. Комплексная автоматизация промышленности и глобализация экономики сместили приоритет издержек в область эффективного использования производственных площадей. Трудоемкость операций механической обработки перестала быть сдерживающим фактором в конструировании механизмов.
Учитывая опыт отечественного станкостроения, можно предложить сложные базовые детали разделить (декомпозировать) на простые плоские элементы (рис. 2) и унифицировать, чтобы в дальнейшем из них можно было собрать различные узлы станков (прототип детского конструктора LEGO®). Такие плоские простые бесстержневые или с единичными мелкими стержнями отливки возможно изготавливать на механизированных и автоматических линиях, что в десятки раз повысит производительность, снизит себестоимость изготовления базовых деталей и, естественно, конечной продукции – станков и различных изделий тяжёлого машиностроения.
Номенклатура типовых деталей не требовательна к выбору литейной технологии. Литье в песчаные холоднотвердеющие смеси, сырые песчано-глинистые смеси, V-процесс позволяют выпускать чугунные отливки. Литье по газифицируемым моделям будет эффективно в случае изготовления моделей резкой из листового пенополистерола. Оперативность в изменении конфигурации заготовок позволяет конструировать станок под любые узлы привода, шпинделя и шариковой винтовой передачи без удорожания конструкции. Создание нового станка или внесение изменений в базовую модель не влечет за собой удорожание изделия. Единичный экземпляр и серийный станок будут иметь близкую себестоимость.
Сборка из типовых элементов осуществляется на штифты и резьбовые соединения. На рисунке 3 представлен вариант декомпозиции токарного станка модели ТВ-6. Направляющие изготавливают отдельно методом прокатки, непрерывным литьем или 3D-печатью из порошкового материала. Крепление к станине происходит на болты. Обработка направляющих производится в зависимости от точности станка. Их можно шлифовать после установки на станину или монтировать обработанными. Более прогрессивный способ организации узлов трения – это 3D-печать покрытия на чугунное основание со сплавлением станины и массы наносимого материала.
С увеличением габарита оборудования необходимо учитывать возрастающие нагрузки на станину. Усиление стыковочных узлов можно проводить дифференцированным утолщением элементов (рис. 4).
Декомпозиция оборудования типа горизонтально-расточного станка модели 2620 позволяет гибко подходить к исполнению и комплектации. Габариты станины и стойки конструктор выбирает на основании пожеланий заказчика. В процессе эксплуатации станок может быть оперативно перестроен (рис. 5).
Стоимость станка должна быть максимально дешевой для скорейшей окупаемости. Декомпозиция позволяет утилизировать корпус в индукционных печах емкостью от 250 кг. Это возможно в том случае, если производители типовых элементов предусмотрят V-образные канавки на поверхности плит (рис. 6). Серые чугуны не склонны к росту трещин по концентраторам напряжений при вибрационных нагрузках. При этом снижения ресурса корпуса не произойдет, но появится возможность разделять элементы на шихту с габаритами 200×200×200 мм ручными гидрокусачками. При этом возрастает остаточная стоимость корпуса станка. Его можно разобрать на фундаменте, а элементы разделить на мелкую шихту по насечкам и удалить в контейнерах без проведения такелажных работ. Насечка выполняется по модели при формовке либо механической обработкой.
Типовые элементы и применение аддитивных технологий позволяют изготавливать каждую единицу оборудования по индивидуальному заказу. Сборные корпуса дают возможность рационально выбирать габариты станка под конкретную номенклатуру заготовок. Типовые элементы и их сборка являются универсальными узлами при проектировании различных по назначению станков. Станина токарного станка может служить стойкой в расточном фрезерном или карусельном станках. Наличие типовых комплектов различного габарита позволяет существенно расширить унификацию. Коробка скоростей (передняя бабка) при комплектовании соответствующей торцевой плитой служит коробкой подач на станине или суппорте. Задняя бабка токарного станка перестает быть уникальным узлом. Её можно выполнить из типовых элементов коробки скоростей станка меньшего габарита.
Стремительное падение себестоимости 3D-печати открывает возможность внедрения прогрессивной технологии в станкостроение. Пока речь не идет о полном замещении классических технологий на аддитивные, но использование печати для изготовления отдельных элементов оборудования уже актуально. Формирование изделий из термопластичных АВС пластиков (акрилонитрилбутадиенстирол (C8H8)x·(C4H6)y·(C3H3N)z) позволяет выполнять органы управления оборудования максимально эргономичными вплоть до персонализации под конкретного пользователя. Переход на полимерные детали возможен в части поддонов для масла, элементов хранения, сбора и подачи смазочно-охлаждающей жидкости, корпусов электронного управления и силовой электрики, смотровых и технологических лючков. При этом не требуется иметь на складе запас пластмассовых комплектующих. Распечатка ведется по ходу сборки. Распространенность 3D-принтеров делает ненужной поставку пластиковых запасных частей. Клиент самостоятельно распечатает необходимое. При наличии программы САМ в комплекте электронного обеспечения жизненного цикла изделия этот сервис будет востребован.
Для станков с ЧПУ возможна распечатка части направляющих из композитных материалов. Основой служит полимерная смола, а в качестве наполнителя – порошок дисульфида молибдена или графит. Элементы трения вспомогательных механизмов, подшипники валиков переключения скоростей, седла тяг, концевые части вилок эффективно выполнять в паре металл – композитный материал. Ожидаемый эффект – плавность работы и снижение уровня шума. Изготовление отдельных вкладышей и оголовков из полимера усложняет конструкцию. Распечатка покрытия происходит как финишная операция изготовления, по наличию и позиционированию детали исключается человеческий фактор.
Набирает популярность печать металлическими материалами. Лазерная наплавка порошков интересна для станкостроения в части изготовления направляющих и подшипников скольжения. Наплавочный материал направляющих – высокоуглеродистые хромистые стали. После наплавки происходит поверхностная закалка до 58-62 HRC. Стали хорошо работают на истирание в паре с серым чугуном, высоко оловянистой и алюминиевой бронзой. Чугун на сегодняшний день применим только в виде элементов, полученных литьем. Медные сплавы могут быть распечатаны на салазках суппорта. Подшипники скольжения валов и винтов подачи целесообразно распечатывать с перфорацией для удержания смазочного материала.
Распечатка ведется при минимальной подготовке отверстия в корпусе станка. Ремонтопригодность распечатанных элементов не отличается от закладных деталей. После удаления изношенного покрытия производится распечатка нового.
Декомпозиция крупных деталей станков открывает возможность саморепликации оборудования. Механообрабатывающее производство может самостоятельно из заготовок типовых элементов получать корпуса требуемого оборудования. Производство заготовок типовых деталей, будучи отданным на аутсорсинг, превращает корпуса станков в доступный продукт. При этом отпадает необходимость в специализированном производстве. Существенное преимущество декомпозиции заключается в возможности обработать заготовки среднего станка по массе на легком станке, и таким образом по возрастанию до особо тяжелых. Заказчик приобретает пакет программного обеспечения CAD/CAM в виде облачной технологии аренды ресурсов сервера [2], закупает необходимые литые заготовки. Обработка деталей может происходить в паузы для рациональной загрузки оборудования. Комплектующие приобретаются самостоятельно или у разработчика. Станок перестает быть фундаментальным объектом, он может быть расширен, перепрофилирован, создан как расходный материал для выполнения заказа. Стремительно развивающиеся технологии не позволяют содержать станочный парк десятилетиями. Оборудование должно успевать меняться вслед за открытием новых способов формообразования. Приходит время, когда оборудование будет создаваться под систему управления и продолжать совершенствоваться вместе с ней. Декомпозиция неизбежно порождает модульность в конструкции станка.
Модули удешевляют изделие, расширяют возможности индивидуализации. Они позволяют создавать многофункциональные специализированные станки. Такое оборудование можно обновлять и перестраивать. Модульная модернизация позволяет преодолеть главный недостаток станка – износ (как физический, так и моральный). Модернизация превращается из события в постоянный процесс. Отпадает необходимость в искусственном ограничении срока службы изделия для стимулирования производства. Наличие интеллектуальных датчиков в станке позволяет проводить опережающую замену узла, оборудование перестает ломаться. Номинально оно становится вечным, обеспечивая при этом загрузку станкостроения.
Системные изменения в отрасли назрели в связи с появлением облачных технологий. Превращение оборудования в интернет вещь и глобальная обработка информации на сервере создают существенный интеллектуальный потенциал. Причем этот потенциал лишь условно принадлежит людям, а по сути является приоритетом машин. Модель производства в виде пирамиды управления остается в прошлом [1]. Даже глобальное моделирование на основе сетевого решения уже не актуально [2]. Сегодня оборудование эффективно обменивается информацией с сервером только в части алгоритма управления. Оно не может повлиять на свою физическую конфигурацию. Производство подходит к совершенно новому этапу развития – этапу автономного формирования себя как объекта. Современная промышленность готовится к прорыву, и это не простая саморепликация роботов. Возникает понятие эволюции машин без участия человека. Это выход на качественно новый уровень организации бизнеса.
Модульность – это новый товар на рынке оборудования. Это пакет предложений, который характеризуется низкой стартовой ценой, многофункциональностью, ремонтопригодностью, возможностью саморепликации.
Открывается новая ниша потребителей – станки. Модульный станок выступает потребителем товаров и услуг. Станок, будучи связанным через систему датчиков с сервером, лучше владельца осведомлен о своем техническом состоянии и наличии модулей обновления. По производственной программе станка облачный сервис прогнозирует перспективу модернизации, оценивает себестоимость и возможность выпуска новой номенклатуры изделий.
Жесткая конкурентная борьба на рынке металлообрабатывающего оборудования ставит в тяжелые условия отечественное станкостроение. Качественное и дешевое оборудование из КНР, высококачественные станки западных производителей требуют нестандартного решения задачи конкурентоспособности отечественных машин.
Станки, способные совершенствовать сами себя, могут вернуть мощь отечественному производству.
1. Ткаченко, С. С. Современная система проектирования литейных цехов / С. С. Ткаченко, В. О. Емельянов, К. В. Мартынов // Литейное производство. – 2018. – № 7.
2. Ткаченко, С. С. Автоматизация литейных процессов в современных условиях / С. С. Ткаченко, В. О. Емельянов, К. В. Мартынов // Литейное производство. – 2017. – № 10.
Станислав Степанович Ткаченко – д.т.н., профессор, заместитель директора научно-исследовательского сектора Филиала Российской академии художеств «Творческая мастерская «Литейный двор», президент Ассоциации литейщиков Санкт-Петербурга и Ленинградской области (ЛенАЛ), заслуженный металлург РФ.
Вадим Олегович Емельянов – к.т.н., доцент, заместитель руководителя мастерской по научно-экспериментальным и научно-исследовательским работам Филиала Российской академии художеств «Творческая мастерская «Литейный двор».
Константин Викторович Мартынов – к.т.н., доцент, заместитель руководителя мастерской по научноэкспериментальным и научно-исследовательским работам Филиала Российской академии художеств «Творческая мастерская «Литейный двор».
