ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Наименование инновационного проекта

Вихревая технология и устройства подготовки и подачи распыленных смазывающе-охлаждающих технологических сред (СОТС) при обработке материалов резанием

Рекомендуемая область пременения

Комплекс вихревых устройств, предназначен для оптимизации процесса механообработки за счет использования распыленных мелкодисперсных смазочно-охлаждающих технологических сред. Использованные технические решения позволяют получать многофункциональные, многокомпонентные, охлажденные, активированные, мелкодисперсные распыленные СОТС и с высокой скоростью направлять их в зону резания.
Подачу СОТС в распыленном виде применяют в следующих случаях:
1) на операциях, где по тем или иным причинам подача смазывающе-охлаждающих жидкостей (СОЖ) поливом не применима, например, на операциях фрезерования по разметке, на тяжелых станках, где сбор отработавшей жидкости затруднен, на операциях заточки и др.;
2) при обработке некоторых труднообрабатываемых материалов, когда подача СОЖ поливом не обеспечивает требуемого эффекта;
3) при необходимости оздоровления условий труда (гашение пыли при обработке чугуна, вместо керосина, скипидара и других раздражающих веществ при обработке легких сплавов и цветных материалов, вместо сульфофрезола на ряде фрезерных операций);
4) для уменьшения температурных деформаций деталей в процессе обработки.
Распыленные СОЖ можно с успехом применять на агрегатных станках, автоматических линиях и, что особенно важно, на станках с ЧПУ, в том числе на многооперационных станках.
Низкоконцентрированные (до 1,5% эмульсола) эмульсии в распыленном состоянии могут быть применены на следующих операциях:
1) обработка заготовок из конструкционных сталей быстрорежущими и твердосплавными резцами;
2) фрезерование и строгание инструментами из быстрорежущей стали без применения СОЖ;
3) обработка зубчатых колес из конструкционных сталей (стали 45, 40Х, 18ХГТ и др.) вместо сульфофрезола;
4) обработка заготовок из нержавеющих и жаропрочных сталей и сплавов и из некоторых других труднообрабатываемых материалов быстрорежущими резцами и фрезами;
5) обработка заготовок из алюминиевых сплавов и цветных металлов фрезами всех видов и сверлами;
6) обработки чугунных заготовок фрезами из быстрорежущей стали (дисковыми, концевыми, червячными), долбяками, гребенками и фасонными резцами, твердосплавными и из быстрорежущей стали.
Рекомендуемый расход 1,5%-ной эмульсии при подаче в распыленном виде для различных операций обработки:
Операция Расход эмульсии, мл/ч
Точение 200-400
Фрезерование 200-400
Зубофрезерование 300-400
Зубодолбление 150-200
Сверление, зенкерование, развертывание до 500
Минеральные масла (индустриальное 20) в распыленном состоянии с расходом 0,5—3,0 мл/ч применяют на следующих операциях:
1) обработка заготовок из конструкционных сталей твердосплавными резцами и фрезами;
2) сверление, зенкерование и развертывание отверстий глубиной до четырех диаметров, нарезание резьбы;
3) обработка заготовок из нержавеющих и жаропрочных сталей и сплавов и из некоторых других труднообрабатываемых материалов твердосплавными резцами и фрезами;
4) обдирка заготовок резцами и фрезами на тяжелых станках;
5) обработка цветных металлов и сплавов различными инструментами.
В отдельных случаях оказывается целесообразным применение комбинированного способа подачи одновременно двух распыленных СОТС. Например, вихревой диспергатор-распылитель обеспечивает подачу в зону резания одновременно распыленного масла и распыленной эмульсии. Аэрозоль масла обеспечивает смазочное действие, а аэрозоль эмульсии — охлаждение зоны резания с целью уменьшения температурных деформаций. Совместное применение двух разнородных СОТС усиливает их действие, т.к. полностью проявляются смазочное, химическое и охлаждающее действия.
Устройства для крепления сопла на универсальных станках должны позволять регулировку точного направления струи смеси в зону обработки различных по форме и размерам деталей.

Назначение, цели и задачи проекта

Основное назначение проекта – решение задач подачи СОТС в зону резания в распыленном виде с целью повышения стойкости режущего инструмента и качества обработки поверхности деталей.

Целью проекта является отработка технологии подготовки и подачи распыленных СОТС в зону резания на различных типах металлообрабатывающих станков, повышение эффективности обработки и снижение затрат на утилизацию СОТС и стружки.

Краткое описание заменяемого процесса или решаемой проблемы

На процесс резания металлов, а также на стойкость режущих инструментов большое влияние оказывают силы трения, возникающие в зоне контакта стружки с передней поверхностью инструмента и обработанной поверхности детали с задней поверхностью инструмента. Величина сил трения определяется свойствами трущихся материалов заготовки и инструмента, а также свойствами среды, в которой находится трущаяся пара. На трущихся поверхностях непрерывно возникают участки чистого материала (ювенильные поверхности), способные к активному физико-химическому взаимодействию с атомами, ионами и молекулами окружающей среды. В результате на трущихся поверхностях непрерывно образуются окисные пленки, уменьшающего силы трения.

Естественной средой, в которой происходит процесс резания, является воздух, который сам по себе оказывает смазочное действие. Однако влияние среды можно многократно усилить, если изменить ее состав и свойства. Такими, искусственно вводимыми в зону резания, средами являются смазочно-охлаждающие технологические средства (СОТС). В способности подаваемых в зону резания СОТС вступать во взаимодействие с трущимися поверхностями и участвовать в образовании пленок заключается их смазочное действие. В результате применения СОТС можно достигнуть резкого уменьшения сил трения при резании и тем самым повысить стойкость режущих инструментов и улучшить качество продукции.

Припроведениирядатехнологическихоперацийважным, подчас решающим фактором становятся охлаждающая и моющая способности СОТС. Первая из них заключается в том, что СОТС отводит тепло из зоны резания, т. е. охлаждает инструмент и обрабатываемую деталь, а вторая в удалении из зоны резания продуктов износа инструмента, особенно абразивного. Охлаждающее действие способствует повышению стойкости инструмента и снижению температурных деформаций обрабатываемых заготовок. Моющее действие повышает качество обработанной поверхности.

Одной из наиболее важных тенденции развития металлообработки, в настоящее время - увеличение использования сухой обработки или обработки с минимальным применением СОТС. Это становиться все более актуальным не только с точки зрения защиты окружающей среды, но и с точки зрения экономии СОТС, что значительно сокращает производственные расходы.

Удачной альтернативой полному отказу от СОТС стало промежуточное решение – обработка с минимальным количеством СОТС, так называемая ММS - технология, которая заключается в охлаждении зоны обработки небольшим количеством СОТС, поступающего непосредственно в эту зону в виде аэрозоля. Установка для обработки по MMS - технологии содержит обычно 3 узла: дозатор, смешивающую камеру и подающее устройство. Количество СОТС превращающегося в аэрозоль не превышает обычно 80мл/ч, но в зависимости от обрабатываемого материала, метода обработки и объема снимаемой стружки может быть и больше. Его достаточно для значительного снижения трения режущей кромки инструмента с обрабатываемым материалом, а у материалов с высокой адгезионной способностью - для предотвращения налипания стружки на режущую кромку инструмента. На большом количестве операций замена полива распыленными жидкостями позволяет увеличить стойкость инструмента и улучшить чистоту обработанных поверхностей с одновременным резким сокращением расхода жидкостей. Тем самым существенно расширяются границы обработки без СОТС.

Экономическая эффективность от применения жидкостей в распыленном состоянии складывается из экономии на режущем инструменте и расходах, связанных с его эксплуатацией; экономии за счет повышения сокращения простоев оборудования, связанных с заменой затупившихся инструментов; экономии на СОТС содержащих дефицитные компоненты.

Например: германская фирма Ludwig Schmitt, оснастила фрезерные станки переносной установкой для получения аэрозоля. Аэрозоль подавали в зону обработки. В результате испытаний было отмечено улучшение качества поверхности по сравнению с теми же режимами с применением СОТС, что позволило повысить скорость резания при сохранении прежней стойкости инструмента и качества обработанной поверхности. А так же уменьшить время обработки и снизить загрязненность воздуха в рабочей зоне. В результате была достигнута почти 80%-ная экономия расходов связанных с эксплуатацией СОТС.

Краткое описание предлагаемого технологического процесса

Работа устройств основана на основе эффекта Ж. Ранка и вакуумирующей способности вихревого потока воздуха.

Разработана конструкция ряда вихревых устройств и исследованы их основные характеристики. Вихревые устройства обеспечивают получение многокомпонентных, активированных, мелкодисперсных СОТС с различным процентным соотношением жидкости и газа, позволяют бесступенчато регулировать количественный и качественный состав распыленных СОТС. Разработанная технология обеспечивает регулируемую подачу компонентов СОТС в зону резания (рисунок 1). Для работы вихревых устройств используется сжатый воздух из заводской пневматической сети.

Рисунок 1 - Принципиальная схема вихревой системы подачи распыленных СОТС в зону резания

Вихревые системы охлаждения режущих инструментов могут быть выполнены в трех вариантах:

вихревой энергопреобразователь (таблица 1), обеспечивающий подачу холодного воздуха в зону резания;

вихревой диспергатор-распылитель (таблица 2), обеспечивающий подачу аэрозоля СОТС в минимальных количествах;

комбинация обоих устройств, позволяющая совместить охлаждение режущего инструмента холодным воздухом с минимальной подачей аэрозоля СОТС в зону обработки, обеспечивающего смазывающее и моющее действие.

Таблица 1 Параметры вихревых охладителей воздуха

Таблица 2- Параметры вихревых диспергаторов распылителей жидкости

Имеется возможность регулирования количества СОТС и температуры подаваемого воздуха. Применение вихревых систем охлаждения инструментов при механической обработке обеспечивает отказ от обильного применения СОТС при сохранении высокой производительности и качества обработки.

Один из вариантов использования вихревого устройства для подачи распыленных СОТС при обработке деталей на токарном станке приведен на рисунке 2.

Рисунок 2 - Подача распыленной СОТС при токарной обработке

Один из вариантов устройства внедрен в ОАО «Пензкомпрессормаш», г. Пенза, на операции чернового фрезерования ротора винтового компрессора диаметром 450 мм, рисунок 3. При подаче охлажденного воздуха и распыленного минерального масла, стойкость инструмента увеличилась вдвое. Если раньше одной фрезы хватало для обработки двух роторов, то после внедрения нашего устройства одной фрезой стали обрабатывать четыре ротора. Отпала необходимость в вытяжной вентиляции рабочих мест мощностью 45 кВт. Несмотря на финансовые проблемы предприятие предложило разработать аналогичные устройства для других операций механической обработки.

Рисунок 3 – Подача распыленной СОЖ при обработке ротора

Изучение проблем, возникающих при фрезеровании сложнопрофильных поверхностей деталей турбокомпрессора из алюминиевых сплавов в ОАО «Пензадизельмаш», г. Пенза, позволило предположить, что значительное влияние на качество обработанной поверхности оказывает образование наростов на режущей кромке инструмента и температурные деформации обрабатываемой детали и инструмента.

Была проведена замена охлаждения поливом (керосин) на охлаждение распыленным СОЖ. В качестве СОЖ использовали 3%-й водный раствор эмульсола. Оптимальное расстояние от сопла до зоны резания составляет 30—50 мм. Скорость резания 30 м/мин, максимальная глубина резания 38 мм, подача 40 мм/мин, инструмент – фреза концевая коническая ф14, из быстрорежущей стали Р6М5. Установлено, что шероховатость обработанной поверхности осталась на том же уровне (проводилось визуальное сравнение с образцами, обработанными при охлаждении поливом), практически отсутствует разбрызгивания СОЖ по рабочей зоне станка, температура заготовки и инструмента составляет 50-60^оС, деталь остается сухой и холодной, коробление детали и налипание металла на режущие кромки исключается, повысилась стойкость инструмента. Значительно улучшены санитарно-гигиенические условия труда.

В НПО «Промсервис», г. Пенза, используют подачу сотс в распыленном состоянии при обработке сферической поверхности шарнира фасонными резцами (рисунок 4).

Рисунок 4 – Подача распыленной СОЖ при обработке шарнира

Одной из функциональных возможностей диспергатора-распылителя является возможность смешения разнородных жидкостей непосредственно перед подачей в зону резания. Эта возможность реализована посредством одновременной эжекции в вихревой поток воздуха двух жидкостей и их совместного диспергирования и распыления. Результатом внедрения данной системы в производство стало снижение себестоимости изготовления шарнирной опоры на 15%.

Технико-экономическое обоснование применения инновационной технологии

Проведенный анализ технической информации и выполненные маркетинговые исследования в области способов подачи СОТС в зону резания при обработке материалов резанием показал, что подача СОТС в распыленном виде имеет ряд преимуществ по сравнению с широко распространенной подачей поливом. Ряд машиностроительных предприятий Германии уже перешли и переходят на технологию подачи СОТС в распыленном виде. Однако используемое для этого оборудование достаточно сложное и дорогое (гидравлические распылители работают при давлении жидкости 10-20 атмосфер), а стоимость зарубежных аналогов выше и составляет 30-100 тыс. руб.;

Исходные данные для определения эффективности внедрения в ОАО «Пензкомпрессормаш» на обработке ротора винтового компрессора:

Станок – “Холройд 5А”; операция – зубофрезерная; инструмент – фреза специальная клиновая с твердосплавными сменными пластинами. Количество смен работы станка – одна.

Статьи экономии:

1. Экономия на СОТС.

Годовой расход масляных СОТС на один станок составляет 1920 кг.

Цена 1 кг СОТС: 15 рублей.

Цена СОТС расходуемая за 1 год: 28800 руб.

2. Экономия на электроэнергии.

Расход осуществлялся в связи с работой вытяжного устройства над станком, для удаления паров сульфофрезола. Расход составлял 45 кВт/час.

Цена 1 кВт = 1.31 руб.

За одну смену экономия составляет: 471,6 руб.

За 1 год экономия составляет: 119668,5 руб.

3. Экономия на режущем инструменте:

В настоящее время, на ОАО «Пензкомпрессормаш» период стойкости твердосплавных сменных пластин стал в два раза выше, чем при охлаждением поливом, что составило время достаточное для обработки 4-х роторов.

В конструкции фрезы предусмотрено расположение 6-и твердосплавных сменных пластин, стоимость каждой порядка 500 руб.

За одну смену примерная экономия составляет: 3000 руб.

За 1 год экономия составляет: 761250 руб.

Суммарная экономия за 1 год составляет порядка 909718,5 руб.

Затраты связанные с внедрением диспергатора-распылителя составили порядка 70000 руб. Изложенные данные показывают, что внедрение на ОАО «Пензкомпрессормаш» системы охлаждения и смазки зоны резания распыленной жидкостью вскрыло большой резерв повышения производительности труда и снижения себестоимости продукции.

Технико-экономические показатели трудо-энерго-природосбережения нового процесса

1) простота конструкции и надежность;

2) высокопроизводительная и качественная обработка за счет повышения физической и химической активности СОТС и интенсификации процессов тепло и массообмена;

3) резкое сокращение количества СОТС, подаваемой в зону резания, по сравнению с охлаждением поливом, снижение экологической нагрузки на окружающую среду;

4) повышение производительности обработки на 10-50%;

5) улучшение качества обработанной поверхности;

6) увеличение стойкости режущего инструмента на 50-200%;

7) снижение затрат на использование СОТС;

8) снижение затрат на утилизацию отработанных СОТС;

9) улучшение экологической обстановки в механическом цехе;

10) для работы устройства необходим только сжатый воздух давлением до 0,4 МПа; российские аналоги имеют ограниченное применение и выше по стоимости.

Новые потребительские свойства продукции

Разработанное нами устройство имеет ряд преимуществ по сравнению с аналогами:
1) Для работы устройства необходим только сжатый воздух давлением до 4 атмосфер.
2) Оно превосходит зарубежные и отечественные аналоги по простоте конструкции и надежности работы.
3) При организации серийного производства цена устройства будет на порядок ниже зарубежных аналогов.
Создаваемые в устройстве вихревые потоки воздуха обеспечивают диспергирование и мелкое распыление жидкости и порошков. Размер капель распыляемой жидкости находится в пределах от 5 до 20 мкм и распыляются с высокой скоростью, что обеспечивает их легкое проникновение непосредственно в зону резания и повышает эффективность действия СОТС.

Качественные характеристики, предъявляемые к сырью и материалам

Изделие может изготавливаться из любых видов конструкционных металлов, преимущественно из стали, а также их пластмасс.

Стадия и уровень разработки

В настоящее время частично выполнены НИОКР, при финансовой и производственной поддержке ООО «Термовихрь» разработан, изготовлен и внедрен ряд образцов устройства. На сегодняшний день потребителями являются ОАО «Пензкомпрессормаш» - обработка ротора винтового компрессора, ОАО «Пензадизельмаш» - обработка деталей турбокомпрессоров, НПО «Промсервис» - обработка сферической поверхности шарнира фасонными резцами, а также предприятия городов Кузнецка и Сердобска Пензенской области. Ведется проработка вариантов использования устройства на различных типах металлорежущих станков.

Предлагаемые инвестиции

Требуются партнеры и инвесторы для проведения дальнейших исследований, проведения сертификации, международного патентования разработанной продукции, организации и лицензирования совместного предприятия.
Форма инвестиций: контракты на выполнение НИОКР, организация совместных НИОКР, организация совместного предприятия. Инвестиции на завершение НИОКР, на маркетинговые исследования рынка и расширение номенклатуры изделий с использованием вихревого гидравлического теплогенератора, на сертификацию изделий и рекламную кампанию с целью расширение рынка сбыта. Объем инвестиций 3 млн. рублей сроком на два года.

Рынки сбыта

Основными потребителями устройства могут стать машиностроительные предприятия различных профилей, предприятия станкостроения. На сегодняшний день потребителями являются ОАО «Пензкомпрессормаш» - обработка ротора винтового компрессора, ОАО «Пензадизельмаш» - обработка деталей турбокомпрессоров, НПО «Промсервис» - обработка сферической поверхности шарнира фасонными резцами, а также предприятия городов Кузнецка и Сердобска Пензенской области. Предварительная оценка потребности рынка России на начальном этапе составляет 50-100 изделий в год, потенциальный рынок – до 1000 изделий в год.

Возможность и эффективность импортозамещения

Предлагаемая в проекте технология не имеет аналогов на мировом рынке аналогичной продукции и технологий.

Возможность выхода на мировой рынок

Имеется, т.к. на международном рынке отсутствуют конкурентоспособные изделия.

Срок окупаемости (в месяцах)

24

Дата поступления материала

26.10.2006