Эпоха постиндустриального производства диктует необходимость тотальной автоматизации и роботизации всей техносферы. Подчинение машин цифровым технологиям неизбежно приводит к трансформации конструкции. Основа трубопроводной арматуры – корпусные детали (рис. 1).
Заготовки для них получают методом литья. Отливки фасонные, сложной конфигурации. Производство и эксплуатация изделий полностью зависит от человека. Механическая обработка на станках с ЧПУ происходит только при посредничестве субъекта. Сборка, транспортировка, установка, ремонт – все это прерогатива человека. Автоматизация жизненного цикла трубопроводной арматуры весьма сложная задача. С проблемой корпусных деталей сталкиваются все отрасли машиностроения. Один из вариантов решения задачи предлагают станкостроители.
К отраслям высоких технологий, помимо традиционных: микроэлектроники, роботостроения, микрохирургии, атомного и аэрокосмического производств, в полной мере относится прецизионное и тяжёлое стратегическое станкостроение. Отечественное станкостроение настойчиво требует инновационных подходов к проектированию оборудования. Развитие отрасли возможно только при глубокой интеграции станка в информационные системы.
Считается, что более половины себестоимости высокотехнологичных продуктов состоит из расходов на НИОКР. В реальности доля НИОКР гораздо выше и может окупаться десятилетиями. Военная промышленность развитых государств является основным потребителем высоких технологий. Сегодня, как и 5 000 лет назад, обладание более современной технологией – основное условие обеспечения стратегических интересов и решения тактических задач.
Если в XX веке система управления разрабатывалась под оборудование и технологию, то к двадцатым годам нынешнего столетия основа производства – это информационные потоки. В настоящее время высокие технологии – это не только и не столько передовая техника, но прежде всего некое информационно-цифровое пространство, без которого существование этой техники было бы невозможно. Количество информации, производимой человечеством, растет в экспоненциальной зависимости. Но только 35 % ее являются полезными в силу несовершенства систем обработки. Причем слабое звено в информационном потоке – человек [1].
Глобализация серверов порождает возможность непрерывного совершенствования бизнес-процесса уже без участия субъекта [4]. Но здесь возникает подобие информационного барьера [2], когда запрос вычислительной системы не может быть выполнен в промышленности. Причина заключается в несоответствии конструкций и технологий современным системам управления. Машина и ее производство ориентированы на человека, в то время как современная промышленность уже находится во власти информационных систем.
Для станкостроения характерна большая доля ручного труда. Мелкосерийное и единичное производство сложно поддается автоматизации. Основа металлорежущих станков – чугунная станина, стойки, столы. Их жизненный цикл рассчитан на управление интеллектом человека. Только ему под силу изготовление сложной отливки, обработка, сборка станка, транспортировка. Сильная сторона современных автоматизированных производств – выполнение роботами простых операций без ограничения их количества и длительности. Сегодня конструкция оборудования не соответствует уровню роботизации в промышленности.
Достижение тотальной автоматизации производства возможно, если заготовка станины и ее обработка осуществляются на автоматической линии. Транспортировка происходит по частям без использования специ альных грузоподъемных устройств. Сборка станка ведется из модулей с помощью манипулятора в ограниченном пространстве автоматического производства. Модульность открывает возможность прямой реализации виртуальных машин в твердую копию.
Одним из направлений этой концепции является технология фрагментации корпусных деталей станков. В качестве примера взята станина токарного станка ТВ-3. Габариты заготовки 900 х 150 х 300 мм. Толщина стенок составляет 10 мм, в области фланцев и направляющих – 15…30 мм. Материал отливки СЧ 20. Фрагментация проводилась элементами толщиной 20 мм. Материал пластинчатых элементов СЧ 20. Направляющие накладные, прямоугольные, стальные. Материал направляющих – сталь 40 Х. Крепление элементов на винты М 6 под шестигранный ключ. Центрирование на штифты диаметром 6 мм. Модули соединяются между собой на болты М 10. Масса литой станины и фрагментированной сборки по 55 кг (рис. 2).
Эксплуатационные характеристики станины – это демпфирующая способность и жесткость. Гашение вибрации обеспечивает использование серого чугуна с пластинчатым графитом. Жесткость конструкции можно оценить, смоделировав нагружение твердотельной модели в программе инженерного анализа. Для литой станины принято закрепление по фланцам. Нагрузка статическая 2000 Н, распределенная на направляющие между стойками. Нагрузка выбиралась исходя из общей массы станка. Расчетный прогиб составил 0,006 мм, коэффициент запаса по прочности – 100 (рис. 3).
Закрепление сборки задано на нижних элементах боковых модулей. Нагрузка статическая 2000 Н, распределенная на направляющие в области среднего модуля. Прогиб составил 0,002 мм. Коэффициент запаса прочности – 200 (рис. 4).
Прогнозируемое повышение прочностных характеристик сборной конструкции обусловлено более рациональным распределением материала по сечению детали (рис. 5а). Масса металла, которая в отливке служит для установки узлов, здесь играет роль силовой части. Коробчатая конструкция с плоскими обработанными стенками выполняет задачу несущего элемента и одновременно установочных поверхностей механизмов станка. Крепление элементов станка к фрагментированной станине происходит по имеющимся отверстиям.
В представленной конструкции направляющие крепятся без применения дополнительных отверстий под винты и штифты. Установка системы подач и крепление к раме не потребуют специальных площадок (как на отливке). Усиление опасных сечений и облегчение малонагруженных частей конструктор выполняет без ограничений (рис. 5а), но обязательно в рамках типовых элементов для снижения себестоимости и упрощения логистики.
Допустимо применение композитной конструкции по материалам. Например, в станине чередуются элементы из высокопрочного и серого чугуна, полимерные вставки закрывают технологические отверстия, а направляющие выполнены из стали.
Конструкция литой станины – это баланс между эксплуатационными характеристиками и возможностями литейной технологии. Жесткое требование по структуре направляющих заставляет жертвовать остальной частью детали. Корпус выполняют равностенным с целью одновременного затвердевания (рис. 5б). Система моделирования позволяет проследить соответствие характеристик, заложенных конструктором, и реальные показатели оборудования.
Положение отливки в форме обычно выбирают направляющими вниз по заливке. Подвод металла в среднюю часть формы. Место подвода: обрабатываемые приливы – под коробку подач и опора под вал и винт (рис. 6).
Подвод металла в среднюю часть отливки обеспечивает заполнение направляющих остывшим потоком металла в тупиковую область формы. Проточная часть отливки тонкостенная. Фланцы крепления стоек имеют припуск на механическую обработку и возможность установки эффективных прибылей.
Моделирование процесса затвердевания в CAE программе показало склонность фланцев к образованию усадочного дефекта (рис. 7).
Установка прибыль-выпор взамен выпоров и назначение технологического напуска решает эту проблему. Направляющие, несмотря на отсутствие питания массивных частей, не склонны к образованию усадочного дефекта. Сказывается эффект тупиковой части отливки. Технология отличается сложной формовкой в стержнях. Большое количество элементов приводит к нарушению геометрии. Если посмотреть реальные отливки на действующем оборудовании, то разностенность, засоры и раковины характерны даже для таких мелких деталей. Причем разностенность оказывает пагубное влияние на характер затвердевания. Попытка увеличить толщину стенки в основании консоли станины с 10 до 20 мм приводит к появлению усадочного дефекта (рис. 8). Стенка выступает прибыльной частью и уменьшает вероятность усадки во фланце.
Таким образом, конструкция заготовки идеальная, но получить отливку с минимальным количеством дефектов – задача весьма сложная. Облегчают ситуацию свойства чугуна. Гашение вибрации на включениях графита препятствует росту трещин, что и обеспечивает стойкость детали. Засоры и усадочные дефекты нарушают геометрию и уменьшают жесткость конструкции. Как следствие, падает точность. Для крупных и высокоточных станков актуальным остается вопрос коробления. Естественное старение – весьма эффективный метод стабилизации геометрии заготовки, но не в эпоху высокоскоростного интернета. Термическая обработка (искусственное старение) не обеспечивает желаемых характеристик [3]. Модульная конструкция предполагает случайный характер распределения остаточных напряжений и их взаимное гашение.
Сравнение эксплуатационных характеристик литой и фрагментированной станины оставляет много вопросов в части корректности сравнения столь разных по очертаниям объектов. Для детального анализа были выполнены твердотельные модели с близкой геометрией в виде литого образца и фрагментированного модуля. В качестве базы использовали станину токарного станка ТВ-3 (рис. 9).
Материал расчетных модулей тот же, что и в полноразмерных деталях. Длина моделей – по 600 мм. Масса литого элемента составляет 26 кг, масса фрагментированного – 39 кг. Прирост массы сборной конструкции – прямое следствие использования типовых элементов. В узкоспециализированных деталях отливка имеет преимущество.
Для сопоставимости прочностных расчетов торцевые стенки литого элемента приняты толщиной 20 мм по аналогии со сборной конструкцией. Закономерно возникает вопрос о литейных дефектах в расчетной схеме отливки. Оценку провели на технологии, когда ответственные части распологают вниз по заливке (рис. 10а). Подвод металла в середину отливки по высоте. Нижний подвод исключен по причине разогрева направляющих, верхний подвод металла чреват размывом формы и брызгами в области ближней направляющей.
Моделирование показало возможное возникновение усадочного дефекта в области конструктивного утолщения стенки (рис. 10б). Таким образом, оценка прочности литого элемента не будет иметь заниженных параметров.
Для элемента фрагментированной конструкции имитирована технология заполнения отливки в тупиковую часть (рис. 11). Выпоры расположены над про точной частью отливки для компенсации разогрева формы при заливке. Подвод металла осуществляется по разъему формы. В реальных условиях литниковая система (ЛС) групповая. Моделирование показывает, что усадка локализована в выпор (прибыль-выпор) (рис. 13). Отливка может быть получена с минимальным количеством дефектов.
Расчет прочности элементов проводили при закреплении торца модели. Нагрузка в виде распределенной силы в плоскости торца, противоположного закрепленному. Усилие 2000 Н. Положение моделей под нагрузкой представлено на рисунке 9.
Моделирование показало, что литой элемент имеет коэфициент запаса прочности 16 при максимальном перемещении 0,1 мм (рис. 12).
Сборный модуль, выполненный из СЧ 20, имеет коэффициент запаса по прочности 12 при перемещении 0,07 мм (рис. 13а). Повышение жесткости обусловлено симметричной конструкцией и разнесенной массой по сечению сборки. Прочность падает по вине типовых элементов. Технологические проемы сильно ослабляют общую конструкцию. Такова плата за универсальность.
Без ущерба для демпфирующей способности можно в отдельных элементах использовать не серый чугун с пластинчатым графитом, а высокопрочный чугун или стальной прокат. Замена боковых фрагментов на детали, выполненные из ВЧ 45, увеличивает минимальный коэффициент запаса прочности до 31 при максимальном перемещении консоли 0,05 мм (рис. 12 б). Масса СЧ 20 в такой конструкции составляет 65 %.
Сопоставление расчетов прочности станины и отдельных модулей показывает, чем больше функциональных свойств выполняет сборка, тем она эффективней. Если расчетный модуль проиграл по массе и потребовал замену материала, то сборная станина превосходит отливку по показателям прочности, жесткости и функциональности. Уместно предположить, что интеграция в сборку дополнительных элементов усилит жесткость конструкции и уменьшит массу в сравнении с классическим станком. Прослеживается тенденция перехода от закрепления агрегатов на станину к монолитной конструкции несущего корпуса. Без каких-либо ограничений в единый механизм можно собрать все компоненты станка, включая электрошкаф, станцию СОЖ, систему привода. Происходит поглощение паразитного пространства между блоками, растет жесткость, снижается общая масса. Эффективным может оказаться сращивание нескольких станков в единый агломерат. Вполне естественна интеграция манипулятора в конструкцию станка. Робот обслуживает производственную деятельность станка, перестраивает его и ремонтирует. Наличие соседнего манипулятора позволяет роботам проводить собственные регламентные работы.
В масштабах участка станки могут сращиваться в трехмерном объеме. Для цеха актуальна интеграция оборудования с несущими конструкциями здания. Это сократит металлоемкость и обеспечит функциональность и мобильность не только станка, но и помещений. Грузовые и энергетические потоки можно размещать внутри оборудования, т. е. интегрировать в общей монолит. Такая схема производства функционирует благодаря замене любого модуля. Работы выполняют интегрированные в станок манипуляторы. Благодаря модульности все операции состоят из простых монотонных действий. Система может быть перестроена в любую конфигурацию без ограничений. Это единый агломерат, динамично обновляющийся, в нем нет мертвых зон. Саморепликация становится формой существования модульного оборудования.
Автоматическое модульное производство обладает гибкостью, не требующей долгосрочного планирования. Мощности могут быть адаптированы под текущие задачи. Избыточное оборудование выведено в резерв. Недостающее сконфигурировано из имеющегося. Для человека такая задача не выполнима. Но это производство исключительно облачных технологий. Сервер способен поддерживать виртуальную модель, а станки всего лишь продолжение выполнения программы. Модульное оборудование – это новый этап развития производства, это начало эпохи виртуальных машин.
1. Постолатий, В. BigData шагает по планете / В. Постолатий // Инновации. – 2013. – № 896 (18).
2. Глушков, В.М. Основы безбумажной информатики / В.М. Глушков. – М., 1987.
3. Шевчук, С.А. Чугун в станкостроении / С.А. Шевчук // Компания «Спутник». – М., 2007.
4. Ткаченко, С.С. Модульное производство металлорежущих станков из унифицированных литых заготовок // С.С. Ткаченко, В.О. Емельянов, К.В. Мартынов // Литейное производство. – 2018. – № 9. Размещено в номере: «Вестник арматуростроителя», № 3 (52) 2019
