В.А. Полетаев Перспектива развития методов формообразования в машиностроении

30

Трудоемкость

Серийность выпуска

Рис. 4. Зависимость полной трудоемкости изготовления изделия от серийности для управляемого (I) и неуправляемого (II)

оборудования:

1 - мелкосерийное производство; 2 - серийное производство; 3 - крупносерийное производство; 4 - массовое производство

6.1. Мелкосерийное и серийное производство

Как известно, доля машиностроительной продукции (по числу наименований), выпускаемой в условиях мелкосерийного и серийного производства, доминирует до 80 % общего количества продукции машиностроения высокоразвитых стран [20, 21]. Именно это и является причиной преобладания управляемого оборудования (станков) в парке формообразующих машин. Свойство управляемости металлорежущих станков обеспечивает минимум трудоемкости всего процесса получения мелких серий изделий заданной формы.

Нет никаких оснований предполагать, что доля мелкосерийного и серийного производства будет уменьшаться со временем - скорее напротив, просматриваются тенденции к ее увеличению.

Нельзя также рассчитывать, что удастся за исторически короткий срок снизить на порядок затраты живого труда в технологии формообразования, после чего трудосберегающее направление по значимости станет уступать материалосберегающему.

Исходя из этих двух посылок, наибольшие перспективы имеет развитие технологий управляемого формообразования. Они и будут исследоваться ниже.

31

Рассматривая самые разнообразные существующие технологии, которые можно отнести к классу управляемых, следует отметить важную особенность: какие бы физические методы формообразования не использовались в этих технологиях (механическое воздействие, воздействие электрическим током, пучком электронов или лучом света и т.д.), все они принадлежат к одному и тому же классу по топологической классификации DIN 8580: к классу технологий, разрывающих связи. Действительно, в подавляющем большинстве управляемых технологий, используемых в машиностроении, изделие получается путем удаления припуска с твердой заготовки, при этом материал припуска идет в отход.

На наш взгляд, отмеченный факт далеко не случаен. Принципиальная особенность метода, при котором с твердой заготовки удаляется "лишний" металл, состоит в том, что при такой обработке существенно не изменяются объемные свойства материала, заключенного в теле будущего изделия. Поэтому при формообразовании таким методом достаточно управлять лишь поверхностными свойствами. Формообразование же "безотходными" методами - литьем или штамповкой - затрагивает не только поверхностные, но и объемные свойства - необходимо обеспечить заданную структуру материала во всем объеме будущего изделия. Это означает, что при формообразовании этими методами на заготовку должно быть перенесено гораздо большее количество информации, чем простое описание поверхности изделия, как это делается при использовании методов удаления "лишнего" металла.

Кроме того, изменения объемных свойств, как правило, отражаются на изменении свойств поверхностных, т.е. управлять в таком случае необходимо слишком большими, недоступными современной технике потоками информации, касающейся и поверхностных, и объемных свойств.

Согласно классификации по DIN 8580, безотходными могут быть только технологии формообразования, создающие связи или сохраняющие связи (технологии, умножающие связи, не дают общего решения этой задачи).

К сохраняющим связи технологиям относится, например, объемная штамповка. В настоящее время она проводится в жесткой форме, неуправляемо, и трудно представить себе механическую конструкцию, которая позволяла бы произвольно изменять конфигурацию штампа хотя бы в заданных габаритных пределах.

32

Среди других методов, сохраняющих связи, перспективным представляется метод управляемой обработки давлением. Примерами может служить обработка на листогибочных машинах с числовым программным управлением, а также на токарно-давильных станках. Однако эти методы не являются общими - ими можно изготовлять лишь детали из листового материала. Поэтому для расширения области применения необходимо дополнить их возможностью образовывать новые связи - например, управляемой сваркой. Такие комбинированные методы уже сейчас получили распространение в авиакосмической, автомобильной промышленности, в строительстве (из металлоконструкций).

Тот факт, что управляемая обработка давлением охватывает только листовые, т.е. двумерные, заготовки, подтверждает ранее выдвинутый тезис. При гибке на машинах с ЧПУ, как и при управляемой обработке резанием, воздействие распространяется только на поверхность заготовки, а объемные свойства (в данном случае определяемые толщиной листа) остаются неизменными.

Обработка на токарно-давильных станках позволяет изменять объемные свойства (толщину заготовки) только в том случае, если имеется жесткий формоноситель - оправка по форме будущего изделия. Такой процесс следует отнести к неуправляемым, так как его результат однозначно задан заранее. При свободной гибке на токарно-давильных станках толщина листа не изменяется.

Таким образом, можно предвидеть, что среди сохраняющих связи методов управляемыми будут только методы воздействия на листовые, двумерные заготовки, не обеспечивающие общего решения задачи.

Весьма вероятно появление "идеального", т.е. управляемого и безотходного метода формообразования в классе технологий, создающих связи. Прообразом таких методов является способ создания деталей любой формы М.И.Попова и И.М.Попова, который предполагает наращивание детали на плоском экране слой за слоем при помощи управляемого электрическим или магнитным полем пучка ионов металла (используется принцип развертки по аналогии с электроннолучевой трубкой). Однако энергоемкость такого метода будет весьма велика.

Смирновым А.И. и Т.Е.Гнединой [4] было проведено статистическое исследование удельной энергоемкости современных методов формообразования, использующих различные физические процессы, и результаты сопоставлены с теоретическими (вычисленными на основе

33

физических констант) величинами удельных энергий. Обобщенные результаты исследования приведены в таблице.

Как видно из таблицы, энергия ионизации на два-три порядка больше энергии, необходимой для пластического деформирования металла.

Ранее было показано, что рост энергетических потоков препятствует выполнению основной функции процесса формообразования - точной передаче информации на заготовку. Отсюда вытекает общая (не связанная с задачей экономии энергии, которая может когда-нибудь потерять актуальность) тенденция выбирать для формообразования физические процессы, осуществление которых требует минимальных потоков энергии.

Удельная энергоемкость различных металлов, используемых для обработки стали

Вид обработки	Физический процесс		Ауд, Дж/мм3 или
			кДж/мм3, или кВт/(см3/с)
	Пластическая	де-	0,6-1,8
	формация
Точение			1-10
Фрезерование			1-10
	Плавление		7-10
Абразивная отрезка			10-30
Черновое шлифование			20-60
Чистовое шлифование			60-200
	Испарение		60-80
Электроконтактная			60-100
Электроэрозионная			1100-100
Электрохимическая			500-2000
Лучевая			100-3000

Менее энергоемким, чем ионное напыление, может быть метод управляемого выращивания твердого тела нужной формы из раствора или расплава, или конденсации из газовой фазы. Поэтому представляет интерес разработка методов управления результатом процессов такого рода.

34

Рабочий формообразующий инструмент при использовании таких методов можно представить себе в виде трех плоских лучей, природ которых позволяет им свободно проникать через рабочую среду. В точке их пересечения концентрация лучевой энергии должна быть достаточна для того, чтобы вызвать необходимый эффект - формирование твердого тела из материала рабочей среды.

Управляя положением этой точки, можно создавать таким образом твердые тела любой формы (проблему создания внутренних поверхностей можно решить, используя, например, отражатели лучей, размещенные в необходимых точках рабочего пространства).

Поскольку лучи являются наименее инерционными из всех мыслимых рабочих инструментов, их применение позволит на порядки поднять производительность управляемого формообразования по сравнению с современным оборудованием, использующим механические принципы.

Возможно, что такие методы будут использовать принцип, на котором основана камера Вильсона - конденсацию переохлажденного пара, или кристаллизацию пересыщенного раствора или переохлажденного расплава. Очаги кристаллизации будут задаваться перемещением лучей. Для полимеров это может быть управляемая полимеризация.

Теоретически наименьшей энергоемкостью обладают процессы, в которых образование новых связей не связано с фазовыми превращениями материала. Примером такого метода является технология получения твердых тел из порошков. (Подробнее преимущества этого метода будут описаны в следующем разделе.) Широкому распространению метода мешает, на наш взгляд, то, что в настоящее время отсутствуют технические средства управления его результатом, что и задает направление необходимых НИОКР.

Для управляемого формообразования изделий из порошкового металла возможен следующий принцип действия машины (или аппарата). В рабочей зоне машины размещается подложка, на которую из одного или нескольких сопел подаются струи порошка. Кинетическая энергия струй, температура порошка и среда рабочей зоны должны быть подобраны так, чтобы обеспечить "слипание" порошка на подложке. Возможно, для этого придется в каждую точку одновременно направлять несколько струй с разных направлений для того, чтобы уравновесить в пространстве составляющие импульса струй. Заданная форма изделия будет обеспечиваться относительным перемещением струй и подложки,

35

а также управлением расходом порошка из каждого сопла. Относительное перемещение может быть достигнуто обычными механическими средствами, электромагнитными полями или комбинацией и тех, и других. Переменное электромагнитное поле, например, легко обеспечит "сканирование" струи по площади заготовки, а механические средства - поворот подложки с заготовкой по мере "выполнения" каждой из ее сторон.

В принципе, можно представить себе устройство и вовсе без подложки. Разместив сопла, например, в вершинах правильного тетраэдра, в центре его можно уравновесить импульсы струй, что позволит создать там "ядро" будущего изделия. При дальнейшем формообразовании изделие можно удерживать в заданном месте или перемещать в заданное положение, управляя векторами импульсов каждой из струй, а если это окажется недостаточным, то электромагнитным полем. Возможно и менее экзотичное решение - "вживлять" в ядро технологический стержень, за который и поворачивать заготовку.

Набор сопел, оперирующих порошками различного состава, решит и другую насущнейшую проблему - оптимальное использование материала. Эта проблема связана с тем, что в огромном большинстве машиностроительных деталей к поверхностным свойствам предъявляются совершенно иные требования, чем к объемным. Классическим примером этого является большинство пар трения. Поверхность трущихся тел, как правило, должна быть твердой и износостойкой, а объем - обеспечивать высокую ударную вязкость. Другой пример - требования к коррозионной стойкости поверхности, обеспечиваемые совершенно иными свойствами материала, чем основные объемные свойства.

Способы создания струи порошка также могут быть различными. Можно выдувать порошок через сопла струями газа или пара, можно ускорять его с помощью электромагнитной "пушки". В последнее время появились сообщения об исследовании процессов переноса вещества с помощью луча лазера. Возможно, этот принцип окажется эффективен для окончательного, прецизионного формообразования.

При оценке перспектив безотходных методов управляемого формообразования необходимо также учитывать следующее. Уже современные системы управления позволяют передать на заготовку подавляющую часть содержания информации об изделии, т.е. сведения о его форме и номинальных размерах, но нельзя ожидать, что во всех случаях

36

удастся передать и все КОЛИЧЕСТВО информации, т.е. обеспечить заданную точность.

Не исключено, что безотходные управляемые методы будут обеспечивать лишь первичное формообразование, существенно уменьшающее припуск. Этот припуск будет затем удаляться на стадии окончательного формообразования, когда на изделие будет переноситься основное количество информации, т.е. обеспечиваться точность формообразования.

Если первичное и окончательное формообразования будут проводиться различными физическими методами, это может потребовать выделения для каждой стадии своей рабочей позиции. Такая мера вызовет целый ряд организационных проблем, существенно увеличивающих суммарную трудоемкость и полное время изготовления изделия.

Из вышеприведенных соображений вытекает формулировка направления НИОКР: поиск единого физического метода управляемого формообразования, который позволял бы вести процесс без отходов (создавая, сохраняя или увеличивая число связей), а также был бы пригоден к удалению "лишнего" материала, т.е. к разрыву связей. Примером могут служить различные лучевые методы, использующие лазеры, потоки заряженных частиц и т.п., - луч может и сваривать (увеличивать число связей), и резать (разрывать связи), причем оба этих процесса легко сделать управляемыми.

На международной станкостроительной выставке 1980 г. IMTS-80 в Чикаго (США) уже демонстрировался станок, использующий именно этот метод [22], - машина фирмы Photon Sourcer, выполненная на базе обычного фрезерного станка Bridgeoport Series I CNC. Фрезерная головка в нем заменена лазерным устройством для сварки, резки, термообработки, обработки отверстий и выполнения ряда других операций. Эта же идея заложена в проект японской лазерной обрабатывающей системы [23].

Альтернативным направлением может быть поиск такой комбинации физических методов формообразования, которая позволяла бы осуществлять их на одной рабочей позиции - например, первичное формообразование проводить путем управляемого литья в магнитное поле или "лепки" изделия из порошкового материала, а окончательное - лучом лазера, для которого магнитное поле прозрачно.

Согласно данным табл. 6.1, теоретическая удельная (отнесенная к единице эффекта) энергоемкость известных электрофизических и элек-

37

трохимических методов обработки на два порядка выше энергоемкости механообработки. На практике эта разница еще больше ввиду необработанности конструкций и низкого энергетического КПД относительно новых электрофизических и электрохимических станков по сравнению с машинами для механообработки, имеющими многовековой опыт развития и совершенствования. Следовательно, замена всей потребной на сегодняшний день механообработки электрофизическими и электрохимическими методами, даже реализуемыми с 100-процентным энергетическим КПД, увеличила бы количество энергии, потребляемое технологией управляемого формообразования, на два порядка. (Учитывая приведенные ранее данные, это составит 15 % от полного энергопотребления страны!)

При условии сохранения структуры энергопотребления в стране (напомним, что здесь не рассматриваются пути развития, требующие увеличения потребляемых технологией формообразования основных ресурсов) крайне высокая энергетическая цена современных электрофизических и электрохимических методов отводит им "экологическую нишу" в доли и единицы процентов среди всего управляемого формообразования. Перспективные электрофизические методы смогут стать доминирующими в управляемом формообразовании только после того, как будет изменена вся структура технологии формообразования, когда объем снимаемых при формообразовании припусков будет снижен на два порядка, а это может стать возможным только при внедрении уже упоминавшихся управляемых безотходных методов формообразования.

Таким образом, из всех известных и реализованных в конструкциях методов управляемого формообразования единственным приемлемым по энергоемкости для мелкосерийного и серийного производства является механообработка. Прогнозы, предполагающие сколько-нибудь заметное замещение механообработки в мелкосерийном и серийном производстве известными способами литья или порошковой металлургии, или обработки давлением, не обоснованны - сегодня все эти методы реализуются в неуправляемых технологиях и экономически эффективная сфера их применения совсем другая - массовое и крупносерийное производство (см. рис. 4).

Существующие соотношения между применением основных физических методов формообразования смогут измениться только при условии создания технического устройства, реализующего управляемое формообразование с помощью какого-либо отличного от механообра-

38

ботки физического метода (например, спекания порошкового металла или литья). Но всегда для перенесения на заготовку максимального количества геометрической информации (для изготовления точных деталей) будет оставаться потребность в методах формообразования, "разрывающих связи", т.е. основанных на удалении припуска и связанных поэтому с отходами.

6.2. Массовое и крупносерийное производство

Как следует из графика рис. 4, для условий крупносерийного и массового производства наиболее подходят технологии неуправляемого формообразования. Именно это и наблюдается на практике - большая часть оборудования для неуправляемого формообразования (КПО, литейных машин и пр.) сосредоточена на предприятиях крупносерийного

имассового производства, где, например, изготавливается свыше 80 % (по массе) всех поковок и штамповок [24].

Несмотря на повышенную трудоемкость подготовительного этапа, экономия труда на этапе собственно формообразования, пропорциональная серийности изделия, обеспечивает неуправляемым технологиям первенство при больших размерах серий.

Однако это не означает, что резервы снижения трудо-, материало-

иэнергоемкости технологий неуправляемого формообразования отсутствуют. Напротив, в этих технологиях открывается гораздо более широкое поле деятельности из-за того, что снимается требование управляемости процесса.

Далее будут приведены лишь два наиболее ярких примера перспективных направлений развития методов формообразования в крупносерийном и массовом производстве.

Вкачестве иллюстрации материало- и энергосберегающего направлений рассмотрим неуправляемое формообразование деталей из порошков. Как указывается в работе [25], из-за высокой стоимости пресс-форм порошковый метод экономически эффективно применять в среднем, начиная с 50000 заготовок на пресс-форму (в зависимости от сложности конфигурации изделия эта величина колеблется от нескольких тысяч до 300—500 тысяч изделий в год).

Порошковый металл обладает уникальным свойством - при нормальных условиях (температуре и давлении) он представляет собой однородную непрерывную среду. Благодаря этому он наиболее удобен

39

для хранения - на складе достаточно иметь одно наименование порошка данного материала, в отличие, например, от многочисленных наименований проката из данного материала. Свойство сыпучести порошка (называемое также "текучестью" [25]) обеспечивает удобство его транспортировки - позволяет полностью использовать объем тары, а также легко автоматизировать разгрузочно-погрузочные операции.

"Непрерывность" порошка позволяет дозировать его по массе практически с любой точностью, без отходов. Поэтому по сравнению с методами пластического деформирования компактных заготовок (например, с объемной штамповкой) прессование деталей из порошка позволяет достичь гораздо более высокого коэффициента использования металла - штучные заготовки из металла обязательно должны иметь припуск, так как они дозируются не по массе, а по объему. Хотя такими же свойствами обладают и жидкости, однако температура жидкого металла порядка 1000°С, и это чрезвычайно усложняет проблему его транспортировки, дозирования и распределения и практически исключает возможность длительного хранения на складах.

При рассмотрении всего цикла, проходимого металлом от руды до изделия заданной формы, видно, что формообразование изделий из жидкого металла менее экономно и с энергетической точки зрения. Металл при этом как минимум дважды нагревается до температуры плавления - первый раз при выплавке из руды, второй раз при отливке изделия. В металлургии известны прямые способы восстановления металла из руд, при которых сразу получается порошок, готовый для хранения и распределения в формообразующие отрасли (такой способ уже применен на Оскольском металлургическом комбинате). Спекание изделий из порошка требует нагрева до температур, меньших температуры плавления.

Главное направление, ведущее к снижению трудоемкости технологии неуправляемого формообразования, также выявляется с позиций изложенной в настоящей работе теории. В суммарной трудоемкости неуправляемого формообразования основная доля приходится на подготовительный этап, на котором должна быть преобразована из символического вида в естественный и закреплена на промежуточном носителе вся геометрическая информация об изделии.

Если этот промежуточный носитель служит для непосредственной и многократной передачи информации на материал заготовки, пропуская через себя и весь необходимый для этого поток энергии, то его при-