Автобиография   Автореферат   Ссылки по теме  
Отчёт о поиске   Индивидуальное задание

Безабразивная ультразвуковая финишная обработка металлов и геоминералы – новая эпоха в технологии машиностроения
Директор Центра Ультразвуковых Технологий профессор Ю.В. Холопов

http://www.bufo.ru/a13.htm

    Попытки существенно повысить эксплуатационные параметры различных машин и механизмов в нашей стране предпринимались с давних пор. Различные нетрадиционные подходы к повышению эксплуатационных характеристик двигателей осваивались в промышленности вплоть до начала 90-х годов. Экономический кризис заставил многих потребителей пересмотреть свое отношение к использованию новых технологий. В настоящее время востребуется то, что может дать быстрый эффект.
    В результате длительных исследовательских работ отечественных ученых Центра Ультразвуковых Технологий и Ассоциации разработчиков "Геотриботехнологии" была разработана комплексная технология повышения эксплуатационных параметров машин и механизмов в процессе различных видов ремонта и их промышленного изготовления.
    Новейшая комплексная технология ремонта двигателей включает в себя две основных составляющих:
    Технологию безабразивной ультразвуковой финишной обработки поверхности - БУФО;
    Технологию формирования минеральных покрытий поверхностей деталей, обладающих высокой термодинамической устойчивостью, с использованием минеральных материалов повышенной прочности.
    Технология БУФО позволяет за один финишный проход излучателя ультразвука при исходной шероховатости Ra=6,3 мкм получить поверхность с Ra =0,1 мкм (10 класс); А при условии обработки закаленных сталей и подшлифовки ее до 7-8 кл. - 12-13 класс шероховатости.
    Хорошо обрабатываются сталь - большинство известных ее марок - алюминий, медь и другие цветные металлы. Применять эту технологию возможно к различным конструктивным формам поверхностей металлов: цилиндрическим, плоским, наружным и внутренним, торцевым, коническим и шаровым; к различным выступам и впадинам; прямоугольным и радиусным канавкам.

Рис.1

    Практические результаты этого, весьма важного для промышленности России и не только научного направления, на сегодняшний день таковы: созданы и производятся по заказам предприятий устройства для безабразивной финишной обработки - комплекты БУФО, которые легко устанавливаются на любые токарные, строгальные, плоскошлифовальные и др. станки, предназначенные для металлообработки.
    Станки с комплектами БУФО, практически, становятся многооперационными!
    Разработанная учеными комплексная технология формирования пар трения исключает применение абразивных материалов и, в ряде случаев, шлифовальных станков. Сокращается цикл технологич6еских операций, что в ряде случаев дает существенную экономию. В ряде случаев, открываются возможности для исключения таких длительных и энергоемких операций как цементация, азотирование или закалка ТВЧ. Технологией БУФО создается идеальная поверхность для пары трения.
    И, в то же время в связи с некоторым оживлением промышленности существенно увеличился интерес заводов к технологии БУФО. Появилось много вопросов. Попробуем ответить хотя бы на некоторые из них.
    Дело в том, что БУФО не режет металл. Значит, если говорить об изменении размеров детали, то при БУФО это происходит только в пределах изменения от Ra исх. до Ra конечной.
    Например, если идет обработка незакаленной стали с Ra=6,3мкм (4 кл.), то после одного прохода излучателем ультразвука мы получаем Ra= 0,1мкм(10 кл.), значит, изменение диаметра детали происходит на уровне 12,4 мкм.
    При обработке одной стороны плоских деталей при изменении Ra от 6,3мкм. до Ra=0,1 мкм. изменение толщины детали составит 6,2мкм.
    При обработке закаленных сталей после шлифовки при шероховатости Ra=0,4мкм (8 кл.) мы за один проход излучателем можем получить Ra=0,025 мкм (12 кл.).
    Далее, при шлифовке идет разупрочнение поверхности структуры металла. При БУФО - наоборот, идет ее упрочнение. И, фактически, повышается усталостная прочность детали.
    Таким образом, БУФО можно и нужно использовать не вместо шлифовки, а после шлифовки деталей в размер, или тогда, когда шлифовка не нужна, или при необходимости шлифовки большого сортимента деталей по металлам, габаритам и конструктивным формам деталей. В этом случае в производственной структуре фирмы необходимо иметь гамму шлифовальных станков. Это дорого. И не всегда оправдано. В этом случае надо иметь в виду, что комплект БУФО может быть поставлен на любой из этих станков, причем на плоскошлифовальных станках без каких-либо существенных изменений станка или акустической головки.
    Технология БУФО исключает использование шлифовки и, более того, выход на 12 класс шероховатости и упрочнение поверхности только в случае, если состояние станка, на котором ведется предыдущая технологическая операция детали обеспечивает заданный ей класс точности.
    Запросы на поставку комплектов БУФО в основном поступают для использования их на токарных станках и обработки наружных и внутренних поверхностей деталей.
    Для обработки наружных поверхностей нами разработан и поставляется комплект типа БУФО-0,63-22-5 мощностью 0,63 кВт, с частотой 22кГц, модель 5.
    Комплект можно поставить на токарные станки практически любых размеров, которые имеют каретки с резцедержателем. Например, на Ижорском заводе в 1992 году нами были проведены работы по обработке плунжеров кузнечно-прессового оборудования диаметром 550 мм и длиной до 6000 мм. В Англии на фирме "К" в 1998 году нами была проведена обработка роторов турбин диаметром 1200 мм. и длиной 2500 мм.
    Были запросы на обработку деталей и диаметром 1,5-2 мм. Практически технологию БУФО можно использовать в этом случае, но только при миниатюризации комплекта БУФО с соответствующим повышением рабочих частот.
    Комплект БУФО можно использовать для обработки наружных поверхностей различных конструктивных форм. При изменении длины и диаметра деталей каких-либо изменений, как правило, ультразвуковой излучатель не требует. При обработке деталей в виде конусов, экспонент, сфер, торцовых поверхностей и т.п. целесообразно использовать станки с ЧПУ.
    Для обработки внутренних диаметров более 400 мм. может быть использован комплект БУФО-0,63-22-5. Он просто крепится в борштанге перпендикулярно образующей детали.
    Для обработки внутренних диаметров менее 400 мм. разработаны комплекты БУФО-0,63-22-10; БУФО-0,63-22-11; БУФО-0,63-22-12 и т.п.
    Эти комплекты отличаются друг от друга изменением конструктивной формы акустических головок. Это вызвано необходимостью решить проблему ввода УЗ в зону обработки металла при определенных соотношениях глубины и диаметра отверстия. Наиболее трудно решить проблемы обработки глубоких отверстий диаметром менее 70 мм. Например, нами разработаны акустические системы., которые позволяют обрабатывать отверстия диаметром свыше 70 мм на глубину до 1500 мм ( БУФО-0,63-22- модель 34).
    Комплект БУФО может устанавливаться практически на любые типы строгальных станков, от малогабаритных поперечно-строгальных, до крупных продольно-строгальных с длиной стола 6 м.
    Необходимо отметить, что при этом обработка поверхности детали ультразвуком ведется и при холостом ходе стола.
    Можно привести характерный пример использования технологии БУФО при обработке фрагмента поверхности 250 x300 мм. на боковой стенке крупного изделия (Англия, фирма К, 1998 год).При этом обработка детали была осложнена тем, что эта поверхность была "утоплена" относительно плоскости изделия на 35 мм. Раньше финишную обработку производили вручную.
    Вопрос был поставлен так: можно ли использовать БУФО и в этом случае? На станке с ЧПУ эта проблема обработки поверхности фрагмента с 4 на 10 класс шероховатости была решена в течение получаса.
    Комплекты БУФО могут использоваться и на фрезерных станках. При этом можно рассматривать два варианта: акустическая головка закреплена неподвижно, а перемещение детали относительно излучателя ультразвука обеспечивается движением стола; второй вариант предусматривает вращение акустической головки относительно неподвижно закрепленной детали.
    Надо отметит перспективу в использовании БУФО в инструментальном производстве.
    Так, например, для финишной обработки прессформы диаметром 45 мм. с диаметром канавки 3,5 мм, предназначенной для изготовления резиновых манжет, при БУФО требуется 3-5 секунд.
    Как известно, на эту операцию, которая производится вручную, в различных ведомствах отводят от 25 до 80 минут.
    Использование БУФО, в принципе, исключает брак по завалу кромок канавки прессформы. И, кроме того, обеспечивает более высокую износоустойчивость канавки.
    При использовании станков с ЧПУ ничто не мешает использовать технологию БУФО при изготовлении любых форм и размеров.
    Много вопросов, казалось бы, по простым делам. Можно ли обрабатывать детали диаметром 150, 600, 800 мм и длиной от 100 до 1800 мм?
    Мы, в свою очередь, многократно отвечаем, что БУФО позволяет обрабатывать наружную поверхность детали практически любых размеров, для которых есть соответствующее металлорежущее оборудование. Ограничением в этом случае, может быть только специализированное оборудование.
    Производительность комплекта БУФО ориентировочно можно оценить следующим образом. Надо знать, что скорость точки вращения детали может быть на уровне 100-120 м/мин., принять подачу на уровне- 0,05 ? 0,1мм./об., диаметр пятна излучателя УЗ может быть на уровне 0,1- 0,3 мм., число ударов- 22 тыс./с. Разумеется, что надо иметь в виду коэффициент перекрытия точек и число повторных ударов. Практически можно принять, что производительность процесса БУФО при обработке сталей примерно равна чистовой обработке металла резцом, а при обработке алюминия, примерно в 2-3 раза выше.
    Специалистов-технологов удивляет то обстоятельство, что после 4-го класса шероховатости исходной поверхности детали за один проход излучателем мы получаем 10-й.
    Ничего удивительного тут нет. Мы используем принципиально новую технологию обработки и получаем новые результаты.
    Минеральные материалы, используемые для формирования покрытий на поверхности деталей, составляющих пары трения, представляют собой сложные конгломераты природных минералов, отобранных по ряду параметров и подвергнутых специальной обработке.
    Указанные минералы могут использоваться как эффективные высокотемпературные твердофазные смазочные материалы, способные воспроизводить на поверхностях узлов трения искусственные аналоги природных "зеркал скольжения". При этом твердость контактирующих поверхностей может быть повышена до 1400 ед. по Виккерсу и более, потери на трение уменьшаются в 5 раз и более. Долговечность узлов трения при их длительной эксплуатации может быть увеличена также за счет увеличения толщины покрытия в зонах контакта деталей.
    Сочетание технологии БУФО с технологией минеральных покрытий - Ультразвук + Гео+ ноу-хау - в значительной степени усиливает получаемый эффект.
    У нас имеется значительный опыт по применению технологии -Ультразвук +Гео+ с целью повышения эксплуатационных характеристик различных машин, как изготавливаемых вновь, так и находящихся в эксплуатации.
    Использование этой технологии обеспечивает увеличение межремонтных сроков двигателей в 5-6 раз; снижает потребление топлива на 5-10 %, смазочного масла на 100-300 %; скорость износа шатунных подшипников в 12-13 раз. По сути, после ремонта двигатель переживает свое второе рождение.
    В турбокомпрессорах, например, К-1500-6,2 энергозатраты снижаются на 8-12 %; расход смазочных материалов в 2-10 раз; моторесурс увеличивается более чем в 2,5 раза; увеличивается надёжность и оперативность запуска агрегата.
    В станочном оборудовании среднее снижение потребления электроэнергии для станков малой мощности составляет 5-15 %; для крупных агрегатов - 10-30 %; пусковые токи снижаются на 10-32 %, а механические потери в 5-7 раз; восстанавливаются зазоры в парах трения; повышается ресурс подшипников в 4-5 раз.
    На железнодорожном транспорте - тяговые редукторы на тепловозах могут работать 1,5-2 года на одноразовой смазке, резко снижается износ зубьев на подвагонных компрессорах, отмечено увеличение ресурса в 1,5 раза; на изгибах рельс подушки остряков и механизмах стрелочных переводов отмечено существенное увеличение ресурса и снижение износа контактных участков пар трения в 1,5 раза;
    В энергетике, например, при изготовлении насосов забортной воды при использовании технологии Ультразвук +Гео + интенсивность износа в парах трения снизилась до 8,6-10-14, т.е. намного лучше известных показателей в мировой практике машиностроения;
    Целесообразность использования этой технологии доказана на десятках, сотнях, тысячах различных машин. Доказано, что эти работы обходятся минимум в 3-10 раз дешевле замены на новое оборудования, что оборудование можно "лечить", продлевая сроки его использования в 2-5 раз; что можно создавать новые машины с существенно улучшенными технологическими характеристиками.
    Результаты использования технологии БУФО + Гео+ можно показать на примерах некоторых заводов РФ.
    Так, специалисты ОАО "Борец" г. Москва пишут: "…Выполнены работы по наружной обработке цилиндрической поверхности из нирезиста литьевого и прессованного, сырой и калёной стали 40Х13, бронзе марки О5С5Ц5, Ст40Х13. Результаты соответствуют паспортным данным оборудования…"
    Бывший - завод гидроприводов "Коммунар" г. Саракташ сообщает, что " …Технической службой завода отработаны три технологических процесса с применением БУФО:
    - изготовление поршневого пальца Ф50 мм. для поршня ЯМЗ (Ярославского моторного завода) из стали 18ХГТ;
    - технологический процесс восстановления деталей (шестерени) Ф26 до Ф25,7 шестеренных насосов типа НШ-32 и НШ-50. Шероховатостьобработки при этом 0,1?0,2 мкм;
    - изготовление штока грейферного экскаватора "Беларусь" и опоры Ф80 10-ти тонного автомобильного крана…"
    Зам. главного технолога ОАО "Энергомашспецсталь" г. Краматорск сообщает, что "…В процессе эксплуатации установки безабразивной ультразвуковой финишной обработки (БУФО) полностью отработаны технологические режимы шлифовки шеек прокатных валков (? от 250 до 525 мм. и L от 300 до 800 мм.). В процессе обработки достигнута шероховатость поверхности Ra0,063-0,1 мкм. Контроль шероховатости производился электронным профилометром марки Т - 1000. Геометрические параметры изделия не нарушаются. На 01.06.01. с помощью установки обработано 40 валков весом от 3,0 до 28,0 тн.
    Главный технолог ОАО "Корвет", Курган, пишет: "В 2000 году нашим предприятием было куплено три прибора "БУФО". Два прибора используется для обработки шаровых поверхностей на станках с ЧПУ мод. 16А20Ф301, для получения шероховатости Ra 0,4 мкм и сферичности 0,02 мм. один прибор используется для обработки цилиндрических поверхностей, на станках мод. 1К62, для получения шероховатости 0,8 мкм. и непараллельности поверхности 0,05 мм. относительно оси. Использование прибора на шаровых поверхностях позволило увеличить выпуск деталей типа "Шар" в 5 раз и снизить брак в 2 раза. Использование прибора на цилиндрических поверхностях позволило увеличить выпуск в 1,5 раза и отказаться от покупки алмазных выглаживателей…"
    Главный механик ОАО "Метафракс" пишет, что "…С момента внедрения установки БУФО с 7.06.01 до 17.12.01 г. были выполнены следующие работы:
    - Шток плунжерного насоса - 10 шт. (Материал 12Х18Н10Т, ? 40 мм., L= 200 мм.);
    - Вал редуктора ВВ - 20 шт. (Материал 38ХМА, ? 50 мм., L= 214 мм.);
    - Защитная втулка насоса - 4 шт. (Материал Ст. 40Х, ? 60 мм., L= 80 мм.);
    - Защитная втулка насоса - 8 шт. (Материал 12Х18Н10Т, ? 90 мм., L= 150 мм.);
    - Шток компрессора 305 ВП - 4 шт. (Материал Ст. 45, ? 50 мм., L= 865 мм.);
    - Шток регулирующего клапана - 2 шт. (Материал 12Х18Н10Т, ? 36 мм, L=830 мм.).
    Обработке подверглись наружные поверхности валов под подшипники качения, защитные втулки под трение с сальниковой набивкой и штока с плунжерами с уплотнениями.
    В результате использования установки были достигнуты следующие результаты:
    - Класс шероховатости обрабатываемой поверхности увеличился до Ra=0,1 мкм;
    - Увеличилась поверхностная твёрдость до 1,5 раз.
    Основное достоинство установки в наших условиях - достигнуто повышение качества изделия и его долговечность…"
    Зам. директора ЦПРП "Ленэнерго" г. Санкт-Петербург сообщает:
    - Обработка внутренних диаметров матриц для изготовления неметаллических труб, внутренний диаметр 380…450 мм., обрабатываемый материал - сталь 20 - БУФО обеспечило возможность получения шероховатость обработанной поверхности до 8 кл. без шлифовки, при этом твёрдость поверхностного слоя увеличилась на 3…4 ед. по Роквеллу.
    - Наружные диаметры: производилась обработка шеек валов насосов под пары трения скольжения. БУФобработка обеспечила шероховатость поверхности 8 кл., упрочнение поверхностного слоя на 3…4 ед. по Роквеллу. Обрабатываемый материал - сталь 45 с термообработкой - 30…34 HRC. Производилась обработка уплотняемых поверхностей штоков задвижек, материал - сталь 30Х13, с термообработкой - 35…38 HRC. Результаты такие же, как описано выше.
    Из письма главного инженера ОАО "Калужского турбинного завода" С.Д. Циммермана директору ГУП СПМБМ "Малахит" В.И. Пялову
    "…В течение двух лет на ОАО "КТЗ" г. Калуга, проходили испытания ряда узлов с минеральным покрытием пар трения по технологии Ассоциации разработчиков "Геоэнергетика" (Центр Ультразвуковых Технологий Санкт-Петербургского Государственного Политехнического Университета, Военно-Морской Академии им. Н.Г. Кузнецова), применяемых в корабельных турбинах и насосах.
    Эффективность и надёжность покрытий с применением достижений нового научного направления - геоэнергетики - была проверена в подшипниках турбогенераторов и насосов на водяной смазке, узлах регулирования и защиты.
    Изделия показали высокую надёжность. Интенсивность изнашивания снизилась в 10 раз. Существенно повысилась стабильность работы изделий в плане устойчивости к воздействию агрессивных (сероводород) и абразивных сред. По сравнению с традиционно применяемыми покрытиями в испытанных узлах обеспечено значительное снижение трудоёмкости изготовления (в 5-6 раз).
    Считаем, что применение покрытий по технологии Ассоциации "Геоэнергетика" в узлах различных изделий значительно повысит надёжность новых объектов, а также позволит увеличить межремонтные сроки изделий и проводить восстановление пар трения в определённых случаях непосредственно во время их эксплуатации…"
    Из протокола результатов измерений образцов деталей типа "Втулка" и "Вал", ВНИИМ им. Д.И. Менделеева.
    Образцы деталей типа "Втулка" и "Вал", представленные Центром Ультразвуковых Технологий измерены в лаборатории эталонов и научных исследований в области измерений длины и угла ГП "ВНИИМ им. Д.И. Менделеева.

Условия измерений:

    1. Температура окружающего воздуха (20 ± 1) Со.
    2. Относительная влажность воздуха 60 %
    3. Давление окружающего воздуха 750 мм. рт. ст.

Результаты измерений:

    На наш взгляд, огромный пласт явлений, связанный с восстановлением промышленного потенциала страны требует серьезного обсуждения заинтересованных структур страны с целью формирования единого государственного плана. Это позволило бы существенно сократить сроки освоения новых технологий, обеспечить значительные прибыли, надёжный и быстрый возврат вложенных капиталов.

http://www.bufo.ru/a13.htm

Автобиография   Автореферат   Ссылки по теме  
Отчёт о поиске   Индивидуальное задание