CC BY
252
ПРОГРЕССИВНЫЕ КОНСТРУКЦИИ ЗУБОРЕЗНОГО ИНСТРУМЕНТА И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
УДК 621.91.002
СОСТОЯНИЕ ПРОИЗВОДСТВА СОВРЕМЕННОГО МЕТАЛЛОРЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА В РОССИИ
В.Б. Протасьев, В.В. Истоцкий
Анализируются стадии жизненного цикла твёрдосплавных концевых фасонных фрез с винтовыми зубьями, как наиболее сложного в конструктивном и технологическом отношении инструмент. По каждой стадии выполнена оценка состояния работ и указаны перспективы развития.
Ключевые слова: металлорежущий инструмент, фрезы, винтовые зубья, производительность, конструирование, технологическое обеспечение.
Роль инструмента в развитии человечества необычно значима. Приведем несколько примеров, подтверждающих такое заключение. Выдающийся русский учёный - инструментальщик И.И. Семенченко в капитальном четырехтомнике [1] отмечает: «Никакая рационализация технологического процесса немыслима без участия инструмента, и нередко использование более совершенного по конструкции инструмента в корне меняет и улучшает технологический процесс».
Известный советский ученый в области резания В.Ф. Бобров [2] связывал развитие станочного оборудования и повышение с процессом совершенствования инструментальных материалов. Этот фактор считался первичным, т.к. возрастающие скоростные возможности инструментов требовали появления более мощных и скоростных станков.
Ф. Тэйлор - председатель общества американских инженеров и выдающийся специалист в области резания утверждал, что «дивиденды предприятия находятся на режущей кромке инструмента». Иными словами -без хорошего инструмента получение прибыли, а как следствие и развитие страны проблематично! Всё отмеченное в полной мере относится к инструментам для пластического деформирования, литейному производству, физико-техническим способам формообразования поверхностей деталей машин.
Остановимся на производстве металлорежущего инструмента, роль которого в машиностроении является доминирующей. По утверждениям исследователей, повышение точности на один квалитет с помощью про-
223
цессов резания на порядок (в 10 раз) менее затратно, чем при использовании альтернативных процессов.
В соответствии с жизненным циклом продукции (ИСО 9000) рассмотрим основные стадии производства инструмента, в том числе:
МРК - маркетинговые исследования, КПП - конструкторскую подготовку производства, МТО - материально-техническое обеспечение, ТПП
- технологическую подготовку производства, ПР - производственный процесс, КИС - контроль и испытания.
Остальные пять стадий, заключающие жизненный цикл инструмента, далее не рассматриваются.
Маркетинговые исследования (МРК)
Английский экономист Дж. Эдвардс в работе [3] приводит основные задачи таких исследований:
1. Анализ окружающей среды. 5. Планирование сбыта.
2 . Рыночные исследования. 6. Продвижение на рынке.
3. Анализ потребителя. 7. Планирование цен.
4. Планирование продукции.
Трудно оспаривать перечень приведенных задач - все они значимы и взаимозависимы, но для производителя одна из них имеет особенное значение - планирование продукции, иными словами - результатом маркетинговых исследований должно быть техническое задание на инструмент.
Такие задания российские инструментальщики в настоящее время получают относительно редко, в большинстве случаев от частных фирм, -обычно они заключаются в копировании иностранных образцов по чертежам или эскизам, не содержащим полной информации для производителя, что нельзя признать полноценным результатом маркетингового исследования. По данным авторов, в масштабах России таких исследований вообще не выполняется - всё регулируется так называемыми рыночными отношениями.
Особенно негативно такая ситуация сказывается на государственных и оборонных предприятиях - они, в основном, используют зарубежный инструмент, приобретая его по ценам, завышенным, в сравнении с реальной стоимостью, до 10 раз. Выводы можно сделать самые плачевные.
Конструкторская подготовка производства (КПП)
Конструирование - особый вид деятельности. Это творчество, которое доступно ограниченному кругу лиц, получивших такое дарование от природы. Россия знаменита своими конструкторами во всех областях деятельности и, особенно, в производстве оружия. По выражению известного кораблестроителя А.А. Крылова [4]: «Бог сделал всё нужное простым, а ненужное - необыкновенно сложным». Именно такие конструктивные решения свойственны отечественной школе конструирования - это знаменитый автомат Калашникова, танк Т-34, самолет Ил-2, суда на воздушной подушке и на подводных крыльях, космическая техника, система «Морфо-
квант» [5] для анализа хромосомного набора человека и многое, многое другое. В том числе и надёжные торцовые фрезы с механическим креплением сменных многогранных пластин из твердых сплавов.
Нельзя отрицать удачных конструктивных решений в зарубежных инструментах и необходимости их копирования с приобретением патентов и защитой авторских прав - это насущно необходимо, но если Россия великая держава и страна самодостаточная - необходимо и развитие отечественной инструментальной школы конструирования инструмента.
При конструировании возникает множество задач - рассмотрим одну из них, по нашему мнению, одну из самых насущных - возможности 3D-моделирования режущего инструмента с учетом технологических особенностей его дальнейшего производства.
Традиционная схема конструирования инструментов связана с использованием на чертежах плоских проекций, разработка и осознание которых для большинства пользователей довольно проблематичны. Окружающий мир использует трехмерное измерение, и использование плоских проекций является вынужденным решением, которое снижает качество технической документации. Вполне понятно, почему при конструировании сложной техники изготавливаются модели самолетов, кораблей, автомобилей и т.п.
3D-моделирование значительно расширяет возможности визуализации проектируемых объектов [6] и позволяет получать любые плоские сечения и, тем самым, выполнять более полный анализ и расчет конструкций. Распространение специальных программных средств облегчает выполнение таких работ.
Но обратимся к новым образовательным стандартам и т.н. компетенциям. В них для машиностроительных специальностей не предусмотрено изучение булевой алгебры, на основе которой построено 3D-моделирование, а в компетенциях не указано изучение упомянутых программных средств.
В области проектирования инструментов, использующих винтовые поверхности, имеется ещё одна особая проблема. Конструктор, вычерчивая поверхность карандашом, использует так называемую генераторную схему, т.е. точечный контакт инструмента второго порядка (карандаша) с формируемой поверхностью. В процессе изготовления все винтовые поверхности инструментов формируются по профильным схемам, т.е. при линейном пространственном контакте инструмента второго порядка (шлифовального круга) с обрабатываемой поверхностью.
Здесь кроется основной источник ошибок при проектировании инструментов - нарушается принцип подобия, так как при вычерчивании и изготовлении должна использоваться одна схема формирования поверхности.
Такая рекомендация выполняется при использовании 3D-моделирования, при котором используются виртуальные аналоги станков с
ЧПУ, по системам координат и составу движений соответствующие реальному оборудованию. Взаимодействие 3D-моделей заготовки и шлифовального круга, соответствующие кинематике управляющей программы, позволяет, как следствие, получить 3D-модель изготавливаемого инструмента (рисунок) и далее оценить его состоятельность и, при необходимости, внести коррективы.
3D-модель сфероконической фрезы
Такой подход к проектированию современен, нагляден и крайне нужен для учебного процесса. Непонятно, почему до сих пор не поручена специалистам разработка специальных учебных программ для обучения инструментальщиков и распространение их по государственным учебным заведениям. При отсутствии в вузах станков с ЧПУ это существенно улучшит ситуацию. На зарубежных программах существенных результатов получить нельзя, а заявлять о самодостаточности, мягко говоря, неуместно. Как говорится: «спасение утопающих - дело рук самих утопающих».
Материально-техническое обеспечение (МТО)
К этой стадии жизненного цикла продукции отнесем:
- использование современного оборудования;
- возможность применения современных шлифовальных кругов, особенно алмазных и эльборовых, и способов их правки;
- использование качественных заготовок;
- технологию припаивания твердосплавных режущих элементов к державкам и т.п.
Мировая практика производства показывает, что основным видом оборудования при производстве инструментов являются шлифовально -заточные станки с ЧПУ, имеющие до 5-6 управляемых координат, оснащенные системой правки шлифовальных кругов. Такое оборудование в современной России не выпускается, но различные модели такого оборудования производят США, Германия, Италия, Франция, Китай, Корея и наш ближайший сосед и союзник - Республика Беларусь.
Белорусские станки Витебского завода, например В3392-Ф4, по оценке «цена-качество» ни в чем не уступают зарубежным, а по ряду показателей, превосходят их.
Производство алмазных шлифовальных кругов в России переживает некоторый подъем, но при минимальной потребности со стороны рынка налицо недостаточность финансирования НИОКР в этой области, и, как следствие, снижение характеристик по сравнению с импортными аналогами.
В качестве заготовок для инструмента используются чаще всего твердосплавные цилиндрические прутки, наружная поверхность которых отшлифована до Ra 0,16,и имеет точность по шестому-седьмому квалите-там. Такие заготовки с недавнего времени стал выпускать Кировоградский завод твердых сплавов, купив специализированное оборудование. Качество заготовок на первый взгляд отвечает современным требованиям, однако комплексные показатели несколько отстают от импортных аналогов, что связано, скорее всего, с недостаточностью опыта в данном вопросе.
Следует отметить, однако, что за рубежом зернистость твердых сплавов имеет семь градаций и самая мелкая из них (нано) имеет размер зерен примерно 0,2 мкм, а Россия ограничивается зернистостью около 0,5 мкм, как минимальной. Необходимые данные об уровнях зернистости приведены в таблице.
Градация уровней зернистости
№ п/п Размеры зерен, мкм ISO-название Русское название
1 < 0.2 nano Нано
2 0.2 - 0.5 ultrafine Ультрамелкое
3 0.5 - 0.8 submicron Подмикронное
4 0.8 - 1.3 fine Мелкое
5 1.3 - 2.5 medium Среднее
6 2.5 - 6.0 coarse Крупное
7 > 6.0 extracoarse Грубое
На некоторых заводах, например, Серпуховском инструментальном заводе, на 80 % используют качественные импортируемые заготовки. Выпускаемый режущий инструмент имеет твердосплавную режущую часть, посредством пайки соединенную с закаленным стальным хвостовиком.
В настоящее время оборудование Серпуховского инструментального завода, используемое для спекания твердого сплава, нуждается в модернизации, да и сам завод скорее исключение из общей совокупности производителей, чем правило.
Технологическая подготовка производства (ТПП)
Технологическое обеспечение обычно соответствует используемому оборудованию и инструментам. Ориентируясь на их возможности, определяются технология, режимы резания, штучное время, нормы выработки на выполняемые операции.
На этой стадии особых проблем, которые не в состоянии решить отечественные производители, не имеется, кроме одной, но очень важной.
Речь пойдет о разработке управляющих программ к станкам с ЧПУ.
Ситуация такова, что даже на ведущих оборонных предприятиях для изготовления сложных инструментов используются, в основном, зарубежные системы автоматизированной подготовки управляющих программ. Среди таких программных продуктов нет ни одного отечественного, позволяющего обрабатывать сложные винтовые поверхности, которыми являются режущие зубья специальных инструментов.
Ни о какой оперативности, сохранении секретов и т.п. говорить не приходится, поскольку самые сложные задачи в приобретаемых комплексах разработчиками умышленно не раскрываются.
Очень часто при использовании новых инструментов, управляющие программы разрабатывают зарубежные фирмы. Авторами данной статьи разработан программный комплекс (ПК), который уже десять лет успешно используется на Серпуховском инструментальном заводе. Предложений о его приобретении другими предприятиями практически нет и причин несколько - это и недоверие (нет пророков в своем отечестве!), низкая квалификация персонала, боязнь ответственности, нежелание платить достойную зарплату), а главное - в сложившейся системе коммерческих взаимоотношений.
Дело и том, что фирмы-поставщики (оборудования и ПК) при получении заявок на разработку УП учитывают личные интересы заявителей материальными вознаграждениями. В итоге образуется своеобразный сговор - Вы не шумите о неполноте приобретенного программного комплекса, а мы Вам за это платим.
Производственный процесс (ПР)
Эта стадия жизненного цикла является итоговой по отношению к ранее рассмотренным. В ней интегрируются все достоинства и недостатки предшествующих стадий. В итоге формируется качество инструментов и его оборотная сторона - уровень дефектности.
Практически все изготовители инструментов в настоящее время работают по т.н. заказному способу и масштаб заказов чрезвычайно мал для организации массового производства. Не нужно объяснять, что заказной вид производства не обеспечивает использование технических новаций при наименьших удельных затратах.
Масштабы выпуска затрудняют использовать в производстве общеизвестные инструментальные способы обеспечения качества:
-контрольные карты Шухарта;
-причинно-следственные диаграммы Исикавы;
-диаграммы Парето;
-диаграммы разброса.
Все отмеченные методы позволяют статистически регулировать производственный процесс и снижать его дефектность. Уровень дефектности при изготовлении малых партий всегда выше, чем в массовом производстве. В работе [7] приводятся так называемые ppm (par pent million) значения дефектности на один миллион изделий, на которые ориентируется производство Японии. В приведенных примерах нет значений ppm > 100, а в нашей стране дефектность на уровне 2 % считается вполне допустимой, а это соответствует ppm = 20 000!
Контроль и испытания (КИС)
Эта стадия очень важна в производстве инструмента - контроль может быть входным, послеоперационным, приемочным, а по масштабам -стопроцентным или выборочным.
Остановимся на средствах контроля, поскольку именно они в последнее время интенсивно совершенствуются и в значительной мере способствуют обеспечению качества инструментов.
Почти все современные средства измерений высокоточные, имеют цифровую индикацию, возможность печатания протокола измерений и подключения к персональным компьютерам для обработки и хранения результатов контроля, т.е. статистической информации. Всё отмеченное характерно для линейно-угловых измерений, твердомеров, контроля шероховатости и параметров износостойких покрытий, наносимых на инструмент. Совокупность таких средств измерений позволяет решать практически все задачи, возникающие при производстве инструментов, но за очень редким исключением, вся эта техника зарубежная, т.е. и эта стадия жизненного цикла зависит от импорта.
Среди средств измерения особое место занимают координатно - измерительные машины (КИМ), которые используют либо тактильные (контактные) либо мультисенсорные (бесконтактные) датчики.
В России КИМ изготавливает только фирма «Лапик». Эти машины используют оригинальную непараллельную кинематику и отечественное программное обеспечение. По точностным показателям такие КИМ, не уступают зарубежным - это, пожалуй, существенно отечественная важная позиция, поскольку непараллельная кинематика может обеспечить конкурентные преимущества и в других областях производства.
Необходимо развитие мультисенсорных КИМ, которые по изготовленному образцу инструмента имеют возможность создания его аналога в виде SD-модели, по которой средствами ЭВМ выполняется весь контроль линейно-угловых параметров.
Актуальна разработка отечественных методик измерения и анализ
погрешностей свойственных такому контролю. Особого внимания требует контроль с помощью КИМ инструментов для нарезания резьбы и зубчатых колес. ГОСТ 1643-81 на параметры точности зубчатых колес не совпадает с зарубежными стандартами, и КИМ выдает результаты, которые нужно пересматривать, адаптировать к отечественной документации.
Не принятый Государственной Думой «Закон о стандартизации» и вступление России в ВТО ставят дополнительные вопросы. На что же, в конце концов, должен ориентироваться отечественный производитель?
В заключение покажем, к каким результатам приводит бездумное использование зарубежной техники и технологий в производстве твердосплавного инструмента.
В 2002 году в г. Рыбинске был открыт широко разрекламированный по телевидению первый в России нанозавод. Выпускаемые этим заводом инструменты (сверла, зенкеры, метчики, концевые фрезы и т.п.) по качеству ниже зарубежных аналогов, а по цене превышают цены на продукцию некоторых отечественных производителей в 2,5-3 раза!
На деньги, затраченные на постройку этого «нанозавода», в чистом поле можно было построить новый завод с полным циклом изготовления упомянутых выше инструментов, причем с использованием белорусских станком и отечественного ПО. Так случилось, что на открытии завода один из выступавших представителей местной власти сказал: «...желаю Вам наноприбыли...», упомянув модное слово в одном ему известном подтексте. Так и получается!
Резюмируя, следует отметить, что необходимо срочно организовать достойное обучение отечественных инструментальщиков производству современных инструментов и решить, наконец, эту надоевшую проблему, которая сдерживает развитие отечественного производства, особенно, т.н. малых предприятий, которым не по карману цены на современные инструменты. Такой завод должен быть государственным и задавать уровень качества и цен, лишая возможности перекупщиков и нечистых на руку менеджеров откровенно грабить покупателей.
Список литературы
1. Семенченко И.И. Режущий инструмент. Конструкторское производство. Т. 1. М.: Главная редакция литературы по машиностроению и металлообработке, 1936. 554 с.
2. Бобров В.Ф. Основы теории резания металлов. М.: Машиностроение, 1975. 344 с.
3. Маркетинг. Дж. Эдвардс. М.: Экономика, 1990. 270 с.
4. Крылов А.Н. Мои воспоминания. Л.: Судостроение, 1979. 480 с.
5. Агаджанян Г.М., Красницкий А.П., Корнеев В.Н. Информатика и технология. Система технического зрения. Пущино: Изд-во Ин-та биофи-
зики АН СССР, 1996. 220с.
6. Протасьев В.Б., Истоцкий В.В. Подготовка управляющих программ к шлифовально-заточным станкам с ЧПУ при изготовлении сложнопрофильных режущих инструментов // Инженерный журнал Справочник, 2012. №7. С. 8-12.
7. Розно М. И., Шинко Л. В. Пора заняться технологическим процессом // Методы менеджмента качества. 2004. №8. С. 34-37.
Протасьев Виктор Борисович, д-р техн. наук, проф., imstulsu@,pochta.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Истоцкий Владислав Владимирович, канд. техн. наук, директор информационно-технологического центра, imstulsu@,pochta. ru, Россия, Серпухов, ОАО «Серпуховской инструментальный завод»
CONDITION OF PRODUCTION OF THE MODERN METAL-CUTTING TOOL IN RUSSIA
V. B. Protasyev, B.B. Istotsky
Stages of life cycle of hard-alloy trailer shaped mills with screw teeths, as the most difficult in the constructive and technological relation the tool are analyzed. On each stage the assessment of a condition of works is executed and development prospects are specified.
Key words: metal-cutting tool, mills, screw teeths, productivity, designing, technological support.
Protasyev Victor Borisovich, doctor of technical sciences, professor, imstulgu@pochta. ru, Russia, Tula, TuШ State University,
Istotsky Vladislav Vladimirovich, candidate of technical sciences, director of the information and technological center, imstulsu@,pochta. ru, Russia, Serpukhov, JSC «Serpukhovskoy tool plant»
