ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Наименование инновационного проекта

Разработка и освоение промышленной технологии производства штампосварных стрельчатых лап культиваторов и сеялок, включающей электроискровое упрочнение режущих кромок твердыми сплавами

Рекомендуемая область пременения

Сельскохозяйственное машиностроение, в частности изготовление рабочих органов сельскохозяйственных машин.

Назначение, цели и задачи проекта

Задачей данного проекта является повышение срока службы лапы культиватора при равномерном износе ее по всей поверхности.

Идея создания штампосварных стрельчатых лап почвообрабатывающих машин до недавнего времени не рассматривалась ни в отечественной промышленности, ни за рубежом из-за склонности средне- и высокоуглеродистых легированных сталей к образованию холодных трещин при дуговой сварке. Такие стали требуют предварительного подогрева и последующего замедленного охлаждения, что трудно осуществить в условиях массового производства. Поэтому как в России, так и за рубежом стрельчатые лапы производят цельноштампованными из сталей типа 65Г, которые имеют недостаточную стойкость к абразивному износу.

Общеизвестно, что использование штампосварных конструкций позволяет снизить расход материалов, уменьшить затраты на изготовление дорогостоящей штамповой оснастки и повысить гибкость производства. Особенно эффективно их применение при производстве таких рабочих органов почвообрабатывающих машин как стрельчатые лапы культиваторов и сеялок, в которых низкий вес сварной конструкции должен сочетаться с повышенной стойкостью к изгибающим нагрузкам и абразивному износу.

Разработка штампосварных конструкций лап культиваторов и сеялок открывает широкие возможности для существенного повышения качества этих рабочих органов за счет использования высокопрочных сталей для режущих лезвий и эффективных способов упрочнения, а также для быстрого освоения производства новых типоразмеров стрельчатых лап в условиях малых предприятий.

Заявителями проведены предварительные исследования технологии производства штампосварных лап культиваторов и сеялок из полосы рессорно-пружинной стали марки 50ХГА, включающей штамповку, сварку, термическую обработку и электроискровое упрочнение режущих кромок. Лапа представляет собой сварную конструкцию из двух фрезерованных лезвий толщиной 6-8 мм и штампованного хвостовика из сталей марок 45 и Ст.3.

На основании анализа литературных данных и результатов экспериментальных исследований заявителями разработана принципиальная технология полуавтоматической сварки в углекислом газе стрельчатых лап из рессорно-пружинной стали марки 50ХГА с предварительным подогревом, которая обеспечивает термический цикл сварки, исключающий образование холодных трещин. Технология апробирована при выпуске опытных партий лап для проведения полевых испытаний.

Второй аспект создания более долговечных почворежущих рабочих органов заключается в сохранении остроты режущих кромок за счет нанесения на основной слой относительно тонкого упрочняющего слоя с более высокой износостойкостью, что обеспечивает их самозатачиваемость.

Анализ различных способов упрочнения показал, что наиболее производительным и эффективным является метод индукционной наплавки порошковыми сплавами на основе сормайта. Однако этот способ предполагает наличие дорогостоящего высокочастотного оборудования и имеет очень узкий интервал технологических режимов наплавки, что препятствует его использованию на малых предприятиях. Механизированная индукционная наплавка широко используется холдингом “Сибагромаш” (г.Рубцовск Алтайского края). Однако качество наплавленного слоя оставляет желать лучшего из-за несовершенства технологического процесса наплавки и отсутствия операции термообработки лап, что приводит к снижению долговечности рабочих органов и уменьшению объема их продаж.

Краткое описание заменяемого процесса или решаемой проблемы

По литературным данным ОАО ВИСХОМ (г. Москва) успешно использует плазменную наплавку почворежущих рабочих органов порошковыми смесями твердых сплавов. Однако, как показывает практика, все методы наплавки с расплавлением присадочного материала и частичного оплавления основного слоя предусматривают достаточное притупление (не менее 3 мм) режущего клина во избежание расплавления режущей кромки.

Учитывая, что ОСТ 23.2.164-87 “Лапы и стойки культиваторов” регламентирует величину притупления клина режущей кромки 0,5 мах, последующая заточка острия представляется довольно трудоемкой операцией, поэтому ее никто не выполняет, и лапы поступают потребителю с притуплением 2-3 мм.

В этой связи заявителями принят для упрочнения стрельчатых лап метод электроискрового легирования (ЭИЛ), позволяющий нанести упрочняющий слой твёрдого сплава на острую кромку термически обработанного лезвия без снижения её твёрдости. Способ опробован Г.П. Ивановым (ЦНИИТМАШ, г.Москва) в начале 60-х годов при упрочнении лемехов плуга и показал положительные результаты.

На основании анализа результатов предварительных экспериментальных исследований установлено, что при упрочнении рессорно-пружинной стали марки 50ХГА методом ЭИЛ электродом твердого сплава ВК8 на установке ЭФИ-25М толщина упрочненного слоя составляет в среднем 0,2 мм, а его микротвёрдость 800-1000 кг/мм².

Проведённые предварительные полевые испытания опытных партий лап культиватора КПЭ-3,8  показали повышение наработки на лапу в 1,5-2 раза по сравнению с серийной при равномерном износе по длине лезвий. При этом установлена необходимость увеличения толщины упрочненного слоя до 0,4 мм в соответствии с требованиями ОСТ 23.2.164-87, а также его микротвёрдости до 1200-1500 кг/мм² в целях более существенного повышения долговечности (в 4-5 раз).

Известно, что твёрдость кварца, основного абразивного элемента почвы, составляет 1200-1300 кг/мм². Многими отечественными учеными установлен факт существенного нелинейного повышения износостойкости сталей с приближением их твёрдости к твёрдости кварца. Литературные данные и результаты предварительных экспериментальных исследователей процесса ЭИЛ показывают возможность увеличения микротвёрдости упрочненного слоя до 1500-2000 кг/мм² при использовании в качестве электродов диборида титана, а также сложнолегированных карбидов на основе вольфрама и бора, что позволит в сочетании с оптимальной термообработкой режущих лезвий довести наработку на одну лапу до 100 га по сравнению с серийной 20-25 га.

Следует отметить, что только хозяйства Алтайского края ежегодно потребляют свыше 200 тыс. лап культиваторов и сеялок. Примерно столько же потребляют хозяйства Новосибирской и Омской областей. В то же время многие крупные хозяйства Западной Сибири за последние годы приобрели импортные почвообрабатывающие комплексы (США, Канада), которые также требуют ежегодной замены стрельчатых лап. К настоящему времени имеются заявки на изготовление импортных стрельчатых лап.

Таким образом, рынок лап культиваторов и сеялок по Западной Сибири с учётом Томской области и Кузбасса составляет около 800 тыс. шт./год.

Крупнейшим поставщиком рабочих органов почвообрабатывающих машин, в т.ч. и всех видов стрельчатых лап, является холдинг Сибагромаш (г.Рубцовск). Выпускаемые им цельноштампованные лапы культиваторов КПЭ-3,8 из листовой стали 65Г толщиной 10 мм с индукционной наплавкой, имеют гарантийную наработку 25 га, что недостаточно для проведения предпосевной обработки и содержания паров. Режущие лезвия лап имеют притупление 3,0 мм, а толщина наплавленного слоя составляет 2-3 мм, что не соответствует требованиям ОСТ 23.2.164-87 (0,5 max и 0,4 соответственно). Низкая долговечность лап обусловлена отсутствием термического упрочнения режущих лезвий, что приводит к быстрому износу мягкого основного слоя, обнажению хрупкого наплавленного слоя и его обламыванию на носке лапы.

Аналогичные лапы культиватора КПЭ-3,8 выпускают Грязинский культиваторный завод и производственное объединение “Красный Аксай” (г.Ростов-на-Дону) в термически обработанном состоянии без индукционной наплавки.

По имеющимся сведениям лапы этих заводов имеют наработку  40-60 га, что достаточно для проведения предпосевной обработки и содержания паров. Однако транспортировка лап на такие расстояния (до 3 тыс. км) является нерентабельной, что препятствует продвижению этих лап на рынок Западной Сибири.

Зарубежные культиваторные и сеялочные лапы (США, Канада, Бразилия) изготовляются цельноштампованными из высокоуглеродистых сталей (сталь 70, сталь 80) в термически обработанном состоянии без наплавки и предназначены для импортных почвообрабатывающих и посевных комплексов. Лапы очень дорогостоящие и не представляют риска для продукции предлагаемого проекта.

В качестве лидирующего предприятия в области конкурирующих технологий, следует отметить ОАО ВИСХОМ (г. Москва) с разработанной технологией упрочнения почворежущих рабочих органов с помощью  плазменно-порошковой наплавки. Значительная удаленность конкурирующего предприятия позволяет надеяться на минимальный риск.

Выпуск опытных партий стрельчатых лап и их апробация в различных почвенно-климатических зонах Алтайского края, показали положительные результаты и выявили значительный интерес аграрников к штампосварной лапе.

На основании анализа результатов предварительных полевых испытаний установлен ряд “слабых мест” опытной технологии производства штампосварных лап:

- недостаточная толщина и микротвёрдость упрочнённого слоя, их нестабильность;

- вероятность разрушения лезвий лап вблизи выхода фланговых сварных швов, а также недостаточная износостойкость лобового сварного шва в области носка лапы;

- нестабильность твёрдости режущих лезвий лапы.

Таким образом,  для коммерциализации предлагаемого патента необходимо проведение исследований по разработке промышленных технологий:

- полуавтоматической сварки в СО₂ стрельчатых лап из стали 50ХГА без предварительного подогрева и с дополнительным легированием лобового сварного шва в области носка в целях повышения его износостойкости;

- термической обработки стрельчатых лап с использованием индукционного нагрева, обеспечивающей переменную твёрдость по ширине режущих лезвий;

Краткое описание предлагаемого технологического процесса

На фиг.1 изображен схематический чертеж лапы с наплавленным твердым сплавом; на фиг.2 - разрез по А-А фиг.1; фиг.3 - разрез Б-Б фиг.1.

Лапа культиватора  состоит из двух режущих лезвий 1, держателя 3, твердого сплава 2. Наплавка твердого сплава на предварительно термообработанную режущую кромку лапы сверху повышает износостойкость лапы за счет того, что идет медленный равномерный износ под подрезанным слоем почвы, а верхний поднятый слой ее скользит по твердому сплаву. За счет равномерного износа сохраняется острота режущей кромки и стойкость ее на излом.

Пример осуществления способа.

Лапу 1 изготавливали сварной из двух фрезерованных полос 1 стали марки 50 ХГА толщиной 6 мм и штампованного держателя 3 из листовой стали марки 45 толщиной 10 мм. Термическую обработку режущей кромки 2 и держателя 3 производили раздельно, до сборки режущую кромку 2 обрабатывали по режиму: нагрев 820-840°С, охлаждение в масле с последующим отпуском при температуре 270-290°С. твердость по Роквеллу составляла HRС_э=50-55 единиц. Держатель 3 подвергали следующей термообработке: нагрев до температуры 840-860°С, охлаждение в воде, отпуск при температуре 220-240°С. Твердость по Роквеллу составила HRС_э =40-46 единиц.

Термообработанные заготовки лапы 1 собирали в кондукторе на прихватки и после предварительного подогрева до температуры 200-220°С сваривали полуавтоматической сваркой в углекислом газе сварочной проволокой 08Г2С диаметром 1,2 мм с последующим замедленным охлаждением, после которого режущую кромку 2 лапы 1 подвергали абразивной зачистке для обеспечения плавного перехода от сварного шва к режущей кромке 3.

Наплавку твердого сплава 4 осуществляли на термически обработанную режущую кромку 2 сверху по всей длине методом электроискрового легирования на установке ЭФИ-25М по следующему режиму:

- напряжение холостого хода 35-37 В;

- ток короткого замыкания - 135-150 А;

- рабочий ток - 70-85 А.

Ширина наплавленного слоя - 15 мм.

В качестве электродов использовали твердые сплавы ВК-8, Т15К6 в виде пластинок толщиной 5-6 мм.

Металлографическими исследованиями установлено, что толщина наплавленного слоя составляет 0,2-0,25 мм, а его микротвердость - 850-870 единиц по Виккерсу.

После наплавки режущие кромки 2 лапы 1 затачивали снизу абразивным кругом, обеспечивая необходимую остроту для срезания сорняков на всем протяжении допустимого износа лапы.

Технико-экономическое обоснование применения инновационной технологии

К настоящему времени многие руководители передовых хозяйств понимают, что преждевременное затупление почворежущих рабочих органов является одной из основных причин низкой урожайности сельскохозяйственных культур и повышенного расхода ГСМ при скоростных режимах почвообработки и начинают относиться к ним не как к запасным частям к машине, а как к инструменту, от которого зависит конечный результат сельскохозяйственного производства – урожай.

Именно передовые хозяйства Алтайского края и Новосибирской области сразу оценили достоинства штампосварных лап культиваторов по сравнению с лапами производства Сибагромаш:

- более высокая наработка на лапу;

- 100 % подрезание сорняков;

- пониженный расход ГСМ.

Технико-экономические показатели трудо-энерго-природосбережения нового процесса

Позволяет снизить на 40% расход металла при изготовлении лап культиваторов и сеялок, в 3-5 раз повысить долговечность этих рабочих органов почвообрабатывающих машин, обеспечить повышение агротехнических показателей предпосевной обработки почвы и уменьшить расход ГСМ.

Новые потребительские свойства продукции

Предложенный способ производства лап культиватора повышает их срок службы при равномерном износе режущих лезвий.

Качественные характеристики, предъявляемые к сырью и материалам

Продукция соответствует государственным стандартам.

Стадия и уровень разработки

Технология апробирована при выпуске опытных партий лап для проведения полевых испытаний, требуется разработка и освоение промышленной технологии производства штампосварных лап.

Предлагаемые инвестиции

2,75 млн. руб.

Рынки сбыта

Стрельчатые лапы в объеме 800 тыс. штук могут поставляться в Сибирском регионе.

Возможность и эффективность импортозамещения

Имеется возможность изготовления стрельчатых лап для импортной почвообрабатывающей техники.

Возможность выхода на мировой рынок

Срок окупаемости (в месяцах)

24

Дата поступления материала

02.10.2006