CC BY
203
УДК 621.9; 330.341
АДДИТИВНЫЕ И ГИБРИДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ПРОИЗВОДСТВЕ
ИНСТРУМЕНТА И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ОСНАСТКИ: СОСТОЯНИЕ, ЭКОНОМИКА, ПЕРСПЕКТИВЫ
Е.Ю. Степанова, М.А. Бурнашов, Ю.С. Степанов
Аддитивные технологии открывают новые горизонты производства машин. Представлен опыт изготовления фрез, сверл и разверток компаний Komet Group Mapal с помощью SD-печати. Указаны проблемы и перспективы развития этого направления.
Ключевые слова: инновации, аддитивные и гибридные технологии, SD-печать, режущий инструмент, оснастка, эффективность.
Для изготовления деталей машин и механизмов требуется большая номенклатура технологической оснастки: приспособления для установки и закрепления заготовок, контрольные и измерительные приспособления, режущие и вспомогательные инструменты, штампы, пресс-формы и литейные формы и стержневые ящики, модели и т.д. [1 - 3].
Согласно Единой системе технологической подготовки производства (ЕСТПП) доля затрат на технологическую оснастку в машиностроении возрастает при переходе от мелкосерийного и единичного производства к серийному и массовому от 3...4 до 10...15 и 25...30 % соответственно от себестоимости изделия. Трудоемкость проектирования и изготовления технологической оснастки составляет до 80 %, а продолжительность этого цикла - до 90 % от общей трудоемкости ТПП нового изделия.
За время эксплуатации станка затраты на инструмент достигают от половины до всей стоимости самого станка [4].
Производство инструментов занимает особое место во всех отраслях машино- и приборостроения. Оно относится к наукоемкому и высокотехнологичному сектору экономики [5, 6]. Даже суперсовременные металлорежущие станки должны быть оснащены теми или иными инструментами и другой технологической оснасткой. Поэтому машиностроительные холдинги используют сотни тысяч наименований единиц технологической оснастки в целом, и режущего инструмента, в частности.
В условиях усиления конкуренции на внутреннем и мировом рынках необходимо искать, разрабатывать и применять инновационные решения на всех этапах создания режущего инструмента, включая развитие теории формообразования, методик проектирования и создание конструкций инструментов, обеспечивающих производительность, качество и снижение себестоимости обработки [7, 8].
Разработанная проф. С.И. Лашневым геометрическая теория формообразования поверхностей инструментов сложной формы и решение вопросов их проектирования с помощью ЭВМ, а также исследования его учеников и последователей в ТулГУ и других вузах внесли огромный
141
вклад в повышение экономической эффективности и конкурентоспособности отечественного производства, обеспечение качества выпускаемой продукции, подготовку кадров для инструментального производства, в создание САПР РИ. Во многих странах мира и по сегодняшний день эти вопросы привлекают внимание многих исследователей и практиков.
Вмести с тем, в мире набирают обороты новые инновационные технологии производства изделий - аддитивные. Последние обеспечивают переход к цифровому производству - производству шестого технологического уклада.
Уникальные возможности этих технологий для создания изделий любой сложности и пространственного расположения элементов привело к тому, что практически нет ни одной отрасли или области человеческой деятельности, в которых невозможно было бы применить эти технологии [9 - 11]. В отличие от традиционных технологий (теперь их модно называть субтрактивными - от англ. subtractive - вычитающий), когда для получения детали лишний металл удаляют (вычитают) в стружку, аддитивные технологии основаны на послойном выращивании, наплавлении, напылении, наклеивании материала (порошка, жидкости, проволоки, листового материала).
Не обошли они и инструментальную промышленность. Ведущие мировые корпорации инструментальной промышленности, такие как «Sandvik Coromant», «Kennametal», «IMC Group» и др., заявляют о создании в своих структуре научных подразделений, которые изучают возможности аддитивных технологий для производства режущего инструмента и сложной технологической оснастки [12]. Владельцы компаний видят неограниченные возможности в проектировании и изготовлении сложных и сверхсложных объемных конструкций изделий, оснастки и инструмента и получения за счет этого конкурентных преимуществ на мировых рынках.
Вместе с тем, известны уже реализованные проекты в инструментальной промышленности. По мнению руководителей немецкой компании «Komet Group» (торговые марки Komet®, Dihart® и Jel®), с помощью аддитивных технологий можно воспроизвести любую геометрию режущего инструмента, которую невозможно обеспечить традиционными методами.
Недавно компания представила фрезы, изготовленные по аддитивным технологиям (рис. 1) [13], что позволило расположить большее количество режущих зубьев с оптимизированной с помощью высокопроизводительных вычислений геометрией: было 6 зубьев, стало 10. При этом скорость подачи таких инструментов, например, концевых и торцевых фрез увеличилась на 50 %. Но самым существенным здесь является формирование внутри корпуса режущей головки каналов с оптимизированным поперечным сечением для подвода в необходимых местах смазочно-охлаждающей жидкости без снижения прочности и максимальным эффектом охлаждения. Сроки поставки инструмента существенно сократились.
Рис. 1. Фрезы, изготовленные по гибридной технологии (источник: Komet Group - www.cometgroup.com)
Чаще всего на практике применяют гибридные технологии: хвостовики изготавливаются по традиционной технологии из конструкционной стали, а корпус режущей части - с помощью аддитивных технологий - селективного лазерного плавления.
Интегрированная компания «Mapal Group» (Германия), получившая мировое признание благодаря высочайшему качеству прецизионного инструмента, также видит свое будущее в использовании трехмерной печати в инновационных конструкциях режущего инструмента. Заметим, что по размеру компания относится к среднему бизнесу при годовом обороте в €510 млн, имеет офисы и представительства в 51 стране, в них работают 4100 человек! В структуру холдинга входят «Mapal DR Кресс KG», «Mapal WWS GmbH & Co. KG», «Mapal ITS GmbH», «Miller GmbH & Co. KG», «Rudolf Strom GmbH», «August Beck GmbH & Co. KG Präzisionswerkzeugfabrik», «WTE Präzisionstechnik GmbH», «Laserpluss AG», «Weisskopf Werkzeuge GmbH».
Интерес представляют сверла компании со сменными головками QTD (рис. 2) [14].
Рис. 2. Сверла QTD фирмы Mapal (источник: Mapal DR Кресс KG -
www. mapal. com)
143
Канал для подачи смазочно-охлаждающей жидкости под давлением 1,6.. .3 бара в этих сверлах выполняется трехгранной формы эквидистантно винтовой канавке, что значительно улучшает теплоотвод и повышает стойкость инструмента. По данным тестирования фирмы, спиральный вид канала повышает скорость потока СОЖ на 100 % по сравнению с У-образным каналом, а выполнение поперечного сечения в виде треугольника обеспечивает повышение скорости потока на 30 %. Отмечается улучшение динамики процесса сверления сверла.
С целью повышения производительности одновременно выращиваются на одной платформе 100 или 121 инструмент (рис. 3).
Рис. 3. 3Б-печать комплекта сверл (источник: www.mapal.com)
Компания «Мара1» также презентовала развертки, часть корпуса которых выполнена с помощью аддитивных технологий (рис. 4). Масса инструмента уменьшилась на 57 % - с 400 до 172 г.
Рис. 4. Развертки Mapal с SD-печатными элементами (источник:
www. mapal. com)
Выводы. Даже ограниченный опыт использования аддитивных технологий в мировой практике производства инструментов показал их существенные преимущества по сравнению с полученными традиционными методами. Перспектива очевидна: будущее инструментального производства
\ 1 X ч
просматривается за гибридными технологиями, которые не отрицают традиционные, но реализуют преимущества аддитивных. В пользу этого говорит и тенденция в усложнении, интеллектуализации и повышении эффективности инструмента и технологической оснастки. Проблемными вопросами являются не только практическое отсутствие отечественного оборудования и металлических порошков для 3Б-печати, но, главное, подготовка кадров-инструментальщиков всех уровней, владеющих новыми инновационными подходами к проектированию, изготовлению, контролю и эксплуатации инструментов нового типа.
Список литературы
1. Альбом контрольно-измерительных приспособлений: учебное пособие для вузов / Ю.С. Степанов [и др.]. М.: Машиностроение, 1998. 183 с.
2. Проектирование и производство малоразмерных плашек /
B.Б. Протасьев [и др.]. М.: Машиностроение-1, 2002. 130 с.
3. Протасьев В.Б., Степанов Ю.С., Ушаков М.В. Прогрессивные конструкции затылованных инструментов. М.: Машиностроение, 2003. 224 с.
4. Истоцкий В.В., Протасьев В.Б. Анализ состояния станкоинстру-ментальной промышленности России в период с 2000 по 2015 гг. в разрезе импортозамещения // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2016. №2 (316).С. 92 - 98.
5. Поландова Л.И., Степанова Е.Ю. Высокие технологии в инновационной экономике // Известия Орловского государственного технического университета. Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2007. №3. С. 156 - 167.
6. Степанова Е.Ю. Наукоемкие отрасли и высокие технологии - основа технологической безопасности и независимости // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2014. №2 (304). С. 122-132.
7. Степанова Е.Ю., Степанов Ю.С. Маркетинг инноваций: проблемы и решения // Экономические и гуманитарные науки. 2011. №12 (239).
C. 24 - 31.
8. Барсуков Г.В., Степанова Е.Ю., Степанов Ю.С. Прорывные технологии нового поколения формообразования пространственно-сложных поверхностей наукоемких изделий // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2016. № 8 - 2. С. 243 - 249.
9. Григорьев С.Н., Смуров И.Ю. Перспективы развития инновационного аддитивного производства в России и за рубежом // Инновации. 2013. №10 (180). С. 76 - 82.
10. Влияние аддитивных технологий на экономику наукоемких отраслей промышленности: роль многоуровневых интегрированных компаний // Экономические и гуманитарные науки. 2016. № 1 (288). С. 54 - 64.
11. Барсуков Г.В., Степанова Е.Ю., Збинякова Е.А. Перспективы применения 3Б-инноваций в автомобильной промышленности // Вестник Брянского государственного технического университета. 2016. № 1. С. 60 - 66.
12. Официальный сайт компании «Sandvik Machining Solutions», [Электронный ресурс]. URL: http//www.annualreport.sandvik/en/2016/our-operations/different-challenges-and-opportunities/sandvik-machining-solutions (дата обращения 15.02.2017).
13. Официальный сайт компании «Komet Group», [Электронный ресурс]. URL: www.kometgroup.com (дата обращения 15.02.2017).
14. Официальный сайт компании «Mapal» [Электронный ресурс]. URL: www.mapal.com (дата обращения 15.02.2017).
Степанова Елена Юрьевна, канд. эконом. наук, доц., eco-nauka@ya.ru, Россия, Орел, Орловский государственный университет имени И. С. Тургенева,
Бурнашов Михаил Анатольевич, д-р техн. наук, доц., arshin721 @yandex.ru, Россия, Орел, Орловский государственный университет имени И.С. Тургенева,
Степанов Юрий Сергеевич, д-р техн. наук, профессор, yury05 7@yandex. ru, Россия, Орел, Орловский государственный университет имени И. С. Тургенева
ADDITIVE AND HYBRID TECHNOLOGY IN THE MANUFACTURE OF TOOLS AND TOOLING: STATE OF THE ECONOMY, PROSPECTS
E.Yu. Stepanova, M.A. Burnashev, Yu.S. Stepanov
Additive technologies open new horizons for production machines. The experience of manufacturing mills, drills and reamers the Mapal Komet Group companies using 3D-printing is given. Problems and prospects of development of this direction are shown.
Key words: innovation, additive and hybrid technology, 3D-printing, cutting tool, equipment, efficiency.
Stepanova Elena Yurievna, candidate of economic sciences, docent, eco-nauka@ya.ru, Russia, Orel, Orel State University named after I.S. Turgenev,
Burnashov Michael Anatolyevich, doctor of technical sciences, docent, arshin 721 @yandex.ru, Russia, Orel, Orel State University named after I.S. Turgenev,
Stepanov Yury Sergeevich, doctor of technical sciences, professor, yury057@yandex.ru, Russia, Orel, Orel State University named after I.S. Turgenev
