CC BY
41
СТАНКИ И ОБОРУДОВАНИЕ
УДК 669.018.27: 62-272
Специализированное пружинное производство ОАО «ЦНИИМ»
О.П. Шаболдо, Я.М. Виторский, Е.В. Васильев, М.В. Сорокин
В большом ассортименте пружин особое место занимают пружины со специальными свойствами, к которым относятся, например, работоспособность при высоких температурах, стабильность силовых характеристик в широком диапазоне рабочих температур, высокая энергоемкость, коррозионная стойкость. Подобные качества пружин обеспечиваются уникальными свойствами пружинных материалов, из которых они изготавливаются. Созданием таких материалов ОАО «ЦНИИМ» занимается на протяжении многих лет и является разработчиком большинства российских ГОСТов и ОСТов на пружины из сталей и специальных сплавов. Как правило, для пружинных материалов с уникальными свойствами в качестве основы используются высоколегированные, трудноде-формируемые сплавы, упрочняемые методами термической и термомеханической обработки. К их числу относятся жаропрочные сплавы на основе ниобия Нб10В5МЦУ (ЛН-1) (рабочая температура — до 1100 °С) и никеля ХН70МВЮ-ВД (ЭИ 828-ВД) (рабочая температура — до 800 °С), работоспособный при температурах до 300 °С высокопрочный Р-ти-тановый сплав ТС6 и высокопрочные мартен-ситностареющие стали с пределом прочности ав > 2000 МПА [1-3].
Рабочие характеристики пружин со специальными свойствами определяются не только параметрами навивки, но и режимами термомеханической обработки материалов на стадии изготовления полуфабрикатов и собственно пружин. Следует отметить, что сортамент продукции из этих сплавов весьма ограничен. Так, ОАО «Корпорация "ВСМПО-АВИСМА"» производит горячекатаные прутки из сплава ТС6 диаметром более 8 мм, ОАО «Металлургический завод "Электросталь"» — прутки диаметром более 14 мм из сплава ЭИ 828-ВД, а сплав ЛН-1 ОАО «Химико-металлургический завод им Е. А. Юдина» поставляет только в виде прутков диаметром 70 мм. Таким образом, при создании пружинных материалов и разработке конструкций пружин из перечисленных сплавов следует предусмотреть отработку термомеханических режимов про-
изводства полуфабрикатов и упрочнения пружин, исследование их коррозионной стойкости под напряжениями, релаксационной стойкости циклической выносливости и других служебных характеристик, в том числе гарантийных сроков эксплуатации пружин.
На пружинном производстве, выпускающем продукцию из специальных сплавов и сталей, должны быть не только участки производства пружин, но и участки изготовления полуфабрикатов, испытательные и исследовательские подразделения. К работе в этих подразделениях следует привлекать квалифицированные кадры. Также предполагается оснащение соответствующим оборудованием. Кроме того, данное производство должно иметь возможность разрабатывать не только технологии изготовления конкретных пружин, но и соответствующую нормативную техническую и технологическую документацию (технические условия, технологические процессы, конструкторскую документацию на пружины различных типов). Именно такое наукоемкое высокотехнологичное производство пружин из специальных сплавов и высокопрочных сталей создано в результате проведенной в 2005-2009 годов модернизации всех лабораторий и участков ОАО «ЦНИИМ», занятых изготовлением полуфабрикатов и пружин и их исследованиями. В состав комплекса входят производственные участки:
• участок производства шлифованных прутков и проволоки,
• пружинонавивочный участок;
• слесарный участок;
• участок термообработки;
• участок вакуумной термообработки;
• испытательный участок;
• участок технического контроля.
Участок производства прутков и проволоки предназначен для волочения проволоки и изготовления шлифованных прутков из сплавов ТС6, ЭИ828-ВД и ЛН-1. На нем установлено оборудование:
• волочильное: цепной волочильный стан с усилием 20 тонн, волочильные станы барабанного типа;
Рис. 1. Цепной волочильный стан
• термическое: печи камерные, муфельные, проходные, электровакуумная установка для отжига и правки проволоки и прутков;
• вспомогательное: станок бесцентрового шлифования, установка тонкой шлифовки, правильная машина, плоскошлифовальный станок, отрезной станок;
• подготовительное: острильная машина, заточной и точильно-шлифовальные станки, станок для шлифования и восстановления волок, токарные и фрезерные станки.
Цепной волочильный стан с усилием 20 т (рис. 1) предназначен для волочения прутков диаметром от 25 мм. Минимальный диаметр прутка, получаемого на данном стане, составляет 4 мм. Длина прутков ограничена длиной станины (10 м). Для цепного стана предусмотрены три скорости волочения: 2,17; 2,93 и 4,89 м/мин. Цепные станы отличаются плавностью хода, строгой соосностью протягиваемого материала и прикладываемой тянущей силы, что очень важно при волочении крупных сечений высокопрочных материалов с большими усилиями волочения.
Для волочения прутков и проволоки диаметром от 6 мм и ниже используются станы барабанного типа различных конструкций с диаметрами барабанов от 550 до 120 мм, что позволяет протягивать проволоку диаметром до 0,2...0,4 мм. На рис. 2 представлен волочильный стан барабанного типа В1-550 с горизонтальным расположением барабана диаметром 550 мм. На стане с горизонтальным барабаном диаметром 420 мм установлен регулятор напряжения, позволяющий монотонно увеличивать скорость волочения до 10 м/мин.
Для того, чтобы заправить в волоку передний конец прутка или проволоки его обраба-
Рис. 2. Волочильный стан барабанного типаВ1-550
тывают либо на острильной машине (рис. 3), на точильно-шлифовальных станках в случае малых сечений, либо на заточном или токарном станках при волочении крупных сечений. Для облегчения обработки переднего конца или для выпуска готовой продукции в виде нагартованных, но ровных прутков применяется правильная машина (рис. 4). Для рихтовки прутков, а также для термических
Рис. 3. Острильная машина
ООБРАБОТ
Рис. 4. Правильная машина
обработок используется установка электроконтактного нагрева (рис. 5). Скоростной электроконтактный нагрев имеет ряд преимуществ перед обычной печной термообработкой. Во-первых, он является самым простым способом нагрева длинных прутков (до 5 м). Во-вторых, при термической обработке прутков на установке электроконтактного нагрева существенно сокращается время температурного воздействия на материал, в результате уменьшается его газонасыщение и окисление, а также обеспечивается равномерность прогрева по диаметру и длине прутка. В-третьих, скоростной нагрев позволяет регулировать структурно-фазовые превращения в материале, а значит, управлять формированием свойств продукции. Термическую обработку проволоки в мотках проводят в различных электропечах в зависимости от режима термообработки и размера садки. Наличие боль-
шого выбора печей, в том числе проходных, позволяет проводить теплое волочение. Для всех видов волочения и различных материалов в ЦНИИМ разработаны специальные смазки и способы их нанесения [4, 5].
После рихтовки шлифованные прутки подвергают шлифованию на станке бесцентрового шлифования и/или на установке тонкой ленточной шлифовки. В качестве волочильного инструмента используется специальный станок для шлифования и восстановления волок. На данном станке проводится подготовка волочильного инструмента к работе: обеспечивается необходимый размер калибрующего пояска, качество всей рабочей поверхности волоки, осуществляется ремонт волок, что позволяет получить любые необходимые степени деформации, как частные, так и суммарные. Производственный участок с подобным набором оборудования имеет все необходимое для изготовления прутков и проволоки самыми малыми партиями, с заданными структурой и свойствами, из различных металлических материалов, таких как сплавы на основе никеля, титана, ниобия, никелида титана [6].
Пружинонавивочный участок предназначен для навивки в основном винтовых цилиндрических пружин сжатия, растяжения, кручения. Навивка пружин проводится на станке вата! 400МУ, укомплектованном проходной электропечью с блоком управления для осуществления в случае необходимости навивки с нагревом (рис. 6). Обработка торцов пружин сжатия, формирование зацепов пружин кручения, заневоливание и правка пружин осуществляется на слесарном участке на то-чильно-шлифовальных станках, прессе гид-
Рис. 5. Установка для отжига и правки прутков и проволоки
Рис. 6. Станок для навивки пружин с проходной электропечью
равлическом П6326 Б01, мини-прессах, в различных приспособлениях и оснастках. Термическая обработка пружин проводится в электропечах либо на участке вакуумной термообработки.
Участок вакуумной термообработки укомплектован печами различных конструкций. Данные печи предназначены для обработки пружин из сплавов ЛН-1 и ЭИ828-ВД на твердый раствор с последующим быстрым охлаждением в вакуумированной закалочной камере, для их старения, для отжигов прутков и проволоки и различных негабаритных деталей из титановых сплавов, нержавеющей стали и т. п.
Испытания силовых и геометрических параметров пружин, контроль готовой продукции осуществляются на испытательном участке и участке технического контроля, оснащенных испытательными машинами на растяжение и сжатие, установкой для определения крутящих моментов пружин кручения и т. д. Создан автоматизированный комплекс для релаксационных испытаний пружин, позволяющий одновременно испытывать до 15 изделий в течение длительного времени, что дает возможность рассчитывать сроки их службы (рис. 7).
Данное производство организовано прежде всего для изготовления винтовых пружин из полуфабрикатов круглого сечения. Однако имеющееся оборудование, в том числе электроэрозионный проволочно-вырезной станок С"^420Нв (Тайвань) с ЧПУ, пресс П6326 Б01 (завод гидравлических прессов «Металлист», Оренбург), современный плоскошлифовальный станок Е80-Е3060Н (Тайвань), позволит достаточно легко и быстро освоить производ-
ство тарельчатых пружин, в частности из титановых сплавов. Следует также отметить, что есть возможности использовать научно-исследовательский потенциал ОАО «ЦНИИМ», структурным подразделением которого является пружинное производство.
В ОАО «ЦНИИМ» работают лаборатория механических испытаний, оснащенная установками для циклических испытаний пружин и амортизаторов до 107 циклов, лаборатории металлографических исследований, химического и рентгено-фазового анализа, неразру-шающих методов контроля, а именно ультразвукового, рентгеновского, люминесцентного и магнитно-порошкового, лаборатория климатических испытаний, оборудованная камерами тепла и влаги, соляного тумана, морозильной камерой. Благодаря наличию перечисленных исследовательских подразделений
Рис. 7. Автоматизированный комплекс релаксационных испытаний пружин сжатия
ОАО «ЦНИИМ» может проводить комплексные испытания пружин, пружинных и иных материалов. При институте создан сертифицированный испытательный центр, имеющий аккредитацию на проведение широкого спектра испытаний пружин и материалов, есть метрологический отдел.
Вся выпускаемая на специализированном пружинном производстве продукция изготавливается в соответствии с технологическими процессами, техническими условиями и другой нормативной документацией, разработанной и оформленной сотрудниками института, зарегистрированной в отделе стандартизации. В ОАО «ЦНИИМ» внедрена система менеджмента качества ISO 9000 и 9001.
В заключение хотелось бы отметить, что данное производство ориентировано на изготовление пружин малыми партиями, со специальными свойствами из уникальных наукоемких материалов, не являющихся массовыми. Эта продукция не выпускается крупными партиями промышленными предприятиями. Поэтому мы ни в коем случае не претендуем на номенклатуру массовой продукции из традиционных пружинных сталей и сплавов, выпускаемой существующими на рынке пружинными предприятиями. В их арсенале есть высокопроизводительные нави-вочные автоматы, современные станки для торцовки пружин и другое специализированное пружинное оборудование, а также квалифицированные кадры, многие из которых по-
лучили знания и опыт в стенах ЦНИИМа — старейшего материаловедческого института России.
Литература
1. Виторский Я. М., Шаболдо О. П., Караштин Е. А.
Термомеханически упрочняемые высокопрочные и жаропрочные пружинные материалы // Труды Международной научно-технической конференции «Современные металлические материалы и технологии «СММТ, 2009». СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2009. С. 483-484.
2. Крылов Б. С., Зеленов Б. А., Петров В. А. Высокопрочный титановый бета-сплав марки ТС-6. Технология, свойства, области применения // ЦНИИ материалов — 90 лет в материаловедении: Науч.-техн. сб. Вып. 2 / ГУП «ЦНИИМ» СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2004. С. 125-139.
3. Шаболдо О. П., Виторский Я. М., Караштин Е. А. и др. Пружинные материалы со специальными свойствами из труднодеформируемых высокопрочных высоколегированных термомеханически упрочняемых сплавов на основе титана, никеля и ниобия. // Металлообработка. 2011. № 2. С. 28-35.
4. А. с. № 1702586 СССР. МКИ В21С 1/00. Способ изготовления изделий / О. П. Шаболдо, Я. М. Виторский, В. А. Рафаловский и др. 1991.
5. А. с. № 1702587 СССР. МКИ В21С 1/00. Способ изготовления изделий / О. П. Шаболдо, Я. М. Виторский, В. А. Рафаловский и др. 1991.
6. Виторский Я. М. Шаболдо О. П. Освоение производства прутков и проволоки из никелида титана для изделий медицинского назначения // ЦНИИ материалов — 90 лет в материаловедении. Юбилейный выпуск. СПб., 2002. С. 110-113.
