Бесконтактная силовая наномеханика

 

Машиностроение (и станкостроение в частности) – это базовая отрасль для экономики любой страны. Тем более для страны, претендующей на экономическую и политическую независимость. Россия основную гамму станков и оборудования для разных отраслей своей экономики способна и должна делать сама.
 
Директор по науке Индукаев Константин Васильевич с устройствами наномеханикиАрсенал технологий отечественного машиностроения включает самые современные приемы механообработки. Это, в частности, «твердое точение», глубокая и сверхскоростная шлифовка. Подобные приемы механообработки революционизируют технологический цикл изготовления деталей и позволяют резко поднять качество производства при одновременном снижении затрат и улучшении экологических показателей.
Хуже обстоит дело со станочным парком, который позволил бы полностью реализовать возможности инновационных технологий металлосъема. Официальные цифры свидетельствуют о том, что до 70% станочного парка в машиностроении России – это оборудование с «возрастом» свыше 20 лет. Выжившие российские станкостроительные предприятия не предлагают новых перспективных разработок и постепенно утрачивают способности в части модернизации старого оборудования.
Зарубежное станкостроение может служить лишь подспорьем для развития основных фондов машиностроительных предприятий России, однако основой для этого должно стать собственное станкостроение. Это следует из объективной оценки сегодняшнего состояния мировой экономики и ряда субъективных факторов.
Станки, особенно если речь идет о прецизионном машиностроении и о комплексных обрабатывающих центрах, – это не «коробочный» продукт, поставляемый со склада. Сложные и прецизионные станки делаются под заказ, сроки их изготовления могут составлять очень много месяцев, а порядок постановки заказчиков в очередь определяется не всегда объективно.
Уместно, кстати, назвать и еще одну причину вялого развития компонентов и узлов для прецизионной механики приводов.
Числовое программное управление (ЧПУ) в свое время произвело революцию в станкостроении и механообработке. Сформировалось заблуждение, что «умная электроника» заставит любую «глупую механику» сделать все, что от нее потребуется.
Однако в цепочке управления датчик – контроллер – силовой инвертор – двигатель два последних элемента имеют принципиально ограниченную скорость реакции (законы электромагнитной индукции никто не отменял). Это снижает точность позиционирования и производительность работы.
При «твердом точении», когда усилия резания достигают сотен килограммов (или тысяч более корректных ньютонов), диссонанс между реактивностью «интеллекта» ЧПУ и вялостью ее «электрических мускулов» губительно сказывается на точности формы и гладкости обработанной поверхности. «Умная» система управления не успевает реагировать на высокочастотные силовые возмущения в зоне резания. И это при том, что для достижения высокой чистоты поверхности при твердом точении необходимо эффективное демпфирование вибраций обрабатывающего инструмента в широком диапазоне частот.
Метрологическая платформаТаким образом, «узкое» место современного станкостроения – это недостаточная для реализации прогрессивных технологий механообработки жесткость подвижных узлов станков – как пассивных (шпиндели и направляющие), так и активных (приводы подач). И для «расшивки» этой проблемы рынком не найдено адекватных решений в арсенале традиционных средств.
Отечественная промышленность может превзойти уровень мирового станкостроения и обеспечить техническое перевооружение промышленности России. Это не фантастика, надо лишь не «дышать в затылок» лидерам, а использовать инновации для рывка «по обходному пути».
Ведь, во-первых, финансово-спекулятивная мировая экономика не стимулирует должный уровень инноваций и конкуренции в зарубежном станкостроении. Ведущие станкостроительные компании – это не только вековая история качества, но и консерватизм (иногда вынужденный), препятствующий радикальным новшествам.
А во-вторых, есть конкретные технологии, которые можно положить в основу радикальной модернизации станкостроительной отрасли и скачкообразного прорывного подъема уровня высокотехнологичного машиностроения в России.
Речь идет о комплексе технологий для конструирования подвижных узлов станков и другого оборудования на базе т.н. бесконтактной силовой наномеханики. Этой технологией можно охватить до 30-40% от общего объема производства станкостроительной отрасли и вывести ее на передовые позиции в мире.
Таблица сравнительных параметров жесткости подвижных узлов станковБесконтактная Силовая Наномеханика (БСН). Термин выглядит как новодел, дань модному направлению технологий словообразования. Однако слову «наномеханика» в нем около двух десятков лет. Именно почти двадцать лет назад инженеры, работающие ныне в компании «Лаборатории АМФОРА», сделали фундаментальное открытие, касающееся жесткости подвижных конструкций, «плавающих» в газовой «смазке». Была определена область безразмерных параметров, описывающих законы аэродинамики, аэроупругости и тепломассопереноса, которая могла дать примерно в 50 раз более высокие параметры удельной жесткости, чем это достигалось в традиционных конструкциях подвижных узлов на основе аэростатического подвеса.
Теория подобия позволяет, например, на основе данных продувок в аэродинамической трубе небольших моделей самолетов предсказывать поведение полноразмерных самолетов в реальном полете. При этом модель обтекания самолета воздушным потоком строится в виде функций, зависящих от нескольких безразмерных параметров, в т.ч. и числа Маха.
Эти «традиционные» конструкции к тому времени успешно работали в станках для сверхточной алмазной обработки мягких металлов и полимеров. Но мировое станкостроение поставило крест на их применении, например, для «твердого точения», где усилия резания достигают сотен килограммов. Жесткость разработанных к тому времени конструкций была недостаточной, и считалось, что большей на основе газовой «смазки» достичь невозможно.
Мировые лидеры станкостроения сделали ставку на гидростатику, ведь каждому школьнику известно про несжимаемость жидкости и мощь гидростатики. Воздух на первый взгляд был неконкурентен при выборе среды на роль смазки для бесконтактного перемещения.
Патент, которым владеет компания «Лаборатории АМФОРА», позволяет в рамках компактной и технологичной конструкции получить жесткость аэростатических узлов в разы большие, чем в конкурирующих решениях на основе гидростатики.
Конструкторы «Лаборатории АМФОРА» пошли «против рынка» еще и в своем отношении к оценке возможностей систем числового программного управления (ЧПУ). При разработке БСН ставка была сделана не на гипертрофированный «интеллект» ЧПУ, что, впрочем, не значит, что его игнорируют, а на работу «физики» – жесткой квазиупругой силовой связи между подвижным и неподвижным элементами привода. Время «реагирования» этого механизма определяется скоростью звука в конструкции станка и составляет около десятка микросекунд. Это значение лежит далеко за пределами возможностей любой системы ЧПУ.
 
КРАТКО О ТВЕРДОМ ТОЧЕНИИ
 
Угловая магнито-аэростатическая направляющаяСозданы (теоретически обоснованы и внедряются в практику) прогрессивные методы металлосъема. Это в первую очередь твердое и силовое точение, глубокое шлифование. Каждый из терминов (а их здесь три) пишется в два слова, это именно устоявшиеся термины, хорошо известные специалистам, а не существительные с определениями, которые можно свободно заменять на синонимы.
Поэтому позволим себе кратко обрисовать некоторые аспекты твердого точения для использования в последующих рассуждениях, а также для демонстрации глубины, оригинальности и простоты и наглядности физических принципов технологии.
В основе твердого точения – особый скоростной режим обработки и резцы из высококачественного кубического нитрида бора. За счет специального сочетания скорости резания, геометрии резца и размера снимаемой стружки происходит сильное разогревание очень малой зоны обрабатываемого изделия. Образовавшееся тепло не успевает передаться детали, почти целиком уходит в стружку, при этом и сама деталь, и резец остаются холодными. Такой обработке поддается каленая сталь, твердые сплавы, упрочняющие наплавки, керамики. Для достижения высокой чистоты поверхности при твердом точении необходимы исключительно плавное перемещение резца, высокая жесткость станка и эффективное демпфирование вибраций обрабатывающего инструмента в широком диапазоне частот.
Если подобные условия обеспечены, за один постанов детали (еще один жаргонизм, но, полагаем, интуиция не подведет читателей) получается окончательное изделие «под сборку» (обработка на лучших станках обеспечивает качество поверхности, соответствующее шлифовке) с заданным уровнем твердости поверхности. Метод «твердого точения» решительным образом упрощает и укорачивает технологический цикл, многократно сокращая затраты на получения конечного изделия. Технология имеет привлекательные, как сейчас принято говорить, экономические показатели, ее популярность стремительно растет.
Приведенные жесткости (или, иными словами, жесткости в соразмерном оборудовании) узлов БСН, конструируемых специалистами «Лаборатории АМФОРА», превосходят характеристики, достигнутые в решениях конкурентов. В таблице для примера приведено сравнение жесткости подвижных узлов станков серии RNC фирмы MONFORTS, специально спроектированных для «твердого точения», с тем, что можно обеспечить в тех же габаритах при использовании элементов БСН.
Следует обратить внимание на непропорционально высокое значение гигантской по размеру и по жесткости продольной гидростатической направляющей (4 тонны силы на мкм!). Хотя жесткость системы СПИД определяется слабым звеном и с точки зрения именно жесткости эта «дикая» цифра не имеет смысла. Но она хорошо работает как демпфер. Демпфер «АМФОРА» в десяток раз компактнее и более эффективен, при жесткости системы СПИД высокой более чем в 2,5 раза.
Уже сейчас в эксплуатации находится оборудование, созданное конструкторами «Лаборатории АМФОРА» на основе ноу-хау компании в области газовой «смазки». Оно в течение 10 лет работает полностью без обслуживания, переборки и со 100% сохранением исходных параметров. Для сравнения: нормальный срок службы прецизионного станка – около 2 лет, после чего он переводится в категорию точности классом ниже.
 
БЕСКОНТАКТНАЯ МАГНИТНАЯ ВИНТОВАЯ ПЕРЕДАЧА
 
Рис. 1. Общий вид бесконтактной магнитной винтовой передачи (БМВП) компании «Лаборатории АМФОРА»Один из примеров практической реализации инноваций компании – бесконтактная магнитная винтовая передача (БМВП) (рис. 1). Достижение высокой точности позиционирования с ее помощью обеспечивается использованием совместного действия магнитного поля и газовой «смазки». Винт и резьбовая часть гайки БМВП выполнены из магнитно-мягкого материала (который намагничен за счет контакта с постоянным магнитом на основе редкоземельных элементов), а в малый зазор между винтом и гайкой подается сжатый воздух. Конструкция БМВП позволяет свести к нулю люфт и зону нечувствительности.
БМВП позволяет парировать внешнее силовое воздействие, сохраняя координату в заданных пределах, с минимальными (практически нулевыми для ряда ситуаций) изменениями токов в контурах системы управления. Порог возмущающей внешней силы, для парирования которой потребуется серьезное вмешательство системы управления, настолько высок, что для широкого круга практических приложений возможна работа системы без текущего контроля координаты. Достаточно отслеживать лишь угол поворота винта, причем можно использовать датчик угла с небольшим разрешением. Так при шаге 100 мкм линейное разрешение в 1 нм обеспечивается при разрешении углового датчика порядка 12 угловых секунд.
Бесконтактную магнитную винтовую передачу отличает низкое значение случайной ошибки. В промышленных приложениях достижимый уровень разрешения БМВП компании «Лаборатории АМФОРА» составляет единицы нанометра. Это переводит вопрос практической точности устройств на основе БМВП в область контроля температурного расширения и условий окружающей среды.
 
АЭРОСТАТИЧЕСКИЕ ШПИНДЕЛЬНЫЕ УЗЛЫ И АЭРОМАГНИТНЫЕ НАПРАВЛЯЮЩИЕ
 
Аэростатические шпиндельные узлы еще в середине 60-х годов прошлого века позволили совершить гигантский скачок в производительности при изготовлении инфракрасной оптики (с 3-5 месяцев до 2-3 дней для изделий сопоставимых габаритов и качества).
Рис. 2. Общий вид аэростатического шпиндельного узла компании «Лаборатории АМФОРА»При создании сверхжестких аэростатических шпинделей «Лаборатории АМФОРА» (рис. 2) использовано ноу-хау компании, которое позволило на порядок превзойти характеристики конкурирующих решений. Это обеспечивается в том числе и конструкцией подшипников из пористых материалов. Такой тип подшипников выдвигает ряд нетрадиционных требований к величине давления и степени очистки воздуха, которые непривычны для машиностроения, но освоены другими отраслями промышленности.
Технологически достижимый уровень жесткости аэростатических шпинделей при полном давлении в радиальном направлении в 4-6 раз, а в осевом направлении в 2-4 раза превосходит жесткость соразмерного механического шпиндельного узла.
Аэростатические направляющие достаточно широко распространены в технике. Рядом важных достоинств обладают т.н. аэростатические направляющие с силовым магнитным замыканием (аэромагнитные направляющие). В числе преимуществ – меньшие габариты (низкий профиль) и способность к «самосборке», что снижает требования к точности изготовления деталей. Принцип действия аэромагнитных направляющих основан на балансе между силами магнитного притяжения и воздушного давления в зазоре микронного размера. Он устанавливается автоматически, при этом несложно обеспечить оптимальную с точки зрения жесткости величину зазора.
Специалисты компании «Лаборатории АМФОРА» разработали оригинальную конструкцию аэромагнитных направляющих. В них традиционное силовое магнитное замыкание в направлении, нормальном воздушному зазору, дополнено бесконтактным силовым удержанием каретки в поперечном направлении. Благодаря этому не нужна отдельная пара направляющих для удержания каретки в поперечном направлении и сам привод приобретает возможность полной «самосборки», причем полностью исключаются операции юстировки.
 
ПРИМЕНЕНИЯ
 
Технологии бесконтактной силовой наномеханики обеспечивают создание принципиально нового высокопроизводительного станочного оборудования, эффективно использующего ряд новых технологий металлообработки, таких как твердое точение, глубокая и сверхскоростная шлифовка.
Более того, применяя станки с БСН-приводами, эти технологии механообработки можно развивать, добиваясь многократного повышения точности обработки и/или производительности технологических процессов на основе твердого и силового точения, глубокой и сверхскоростной шлифовки. Точность обработки и производительность могут быть повышены в еще большей степени, если с упомянутыми методами механообработки сочетать некоторые весьма эффективные технологии прецизионного воздействия электромагнитным полем на процесс резания.
Приводы на основе бесконтактной силовой наномеханики предлагаются компанией «Лаборатории АМФОРА» в качестве основы для развития нового направления в массовом и специальном станкостроении. Это направление может послужить локомотивом коренной модернизации отечественной станкостроительной отрасли и прорывного подъема уровня высокотехнологичного машиностроения в России. При оптимальном развертывании работ предлагаемые технологии могут охватить до 30-40% от общего объема производства станкостроительной отрасли. С новыми приводами на основе БСН отечественное станкостроение может выйти на передовые позиции в мире.
 
ЭКОНОМНАЯ ЭКОНОМИКА
 
Станки с подвижными узлами на основе бесконтактной силовой наномеханики открывают широкие возможности для управления себестоимостью продукции. Одно лишь исключение «медленных» многоступенчатых технологий, таких как хонингование и доводочная шлифовка и притирка, позволяет в десятки раз снизить себестоимость продукции, одновременно сократив время производства.
Внедрение и эксплуатация оборудования с подвижными узлами на основе БСН не требует специальных мероприятий для повышения квалификации рабочих и техников. Требования к профессиональной подготовке персонала для работы и обслуживания станков на основе БСН соответствуют типичным требованиям машиностроительной отрасли.
Себестоимость, массогабаритные характеристики и эксплуатационные расходы оборудования с узлами на основе бесконтактной силовой наномеханики находятся на уровне этих показателей для «рядовых» станков и многократно ниже, чем у прецизионного оборудования.
Все «нетрадиционные» компоненты бесконтактной силовой наномеханики подходят для массового производства, отдельные элементы конструкций достаточно широко применяются в промышленности
Подвижные узлы на основе БСН не подвержены износу, такое оборудование предельно надежно и устойчиво к грубому обращению при соблюдении небольшого числа неукоснительных, но вполне выполнимых специфических требований.
Еще раз о преимуществах бесконтактной силовой наномеханики.
Обработка деталей на станках с подвижными уздами на основе БСН позволяет резко повысить как точность точения, так и качество обработанных поверхностей. При этом деталь устанавливается единожды, высокие характеристики точности и качества поверхности достигаются в рамках единой технологической операции. Это обеспечивается для широкой номенклатуры деталей, в том числе из каленых сталей, твердых сплавов и керамик, деталей с упрочняющими покрытиями.
Высокая точность траектории перемещения режущего инструмента позволяет на станках с приводами на основе БСН снимать на чистовых проходах в режиме «твердого точения» практически микронную стружку. Улучшения характеристик точности и шероховатости поверхности изделий достигают 10-15 крат. И это без заметного повышения стоимости оборудования и при том же времени обработки. Производство, таким образом, выходит на уровень точности, характерный для уникальных оптических изделий, но по себестоимости типичного массового выпуска.
Кроме точности обработки, точение на станках с приводами на основе БСН обеспечивает сохранение первоначальной твердости поверхности изделия – одно из немногих слабых мест твердого точения, т.н. «отбеливание», т.е. частичная потеря твердости. А воздействие переменного магнитного поля на режимах чистовой обработки может существенно улучшить физическое состояние поверхности обрабатываемой детали, повышая износоустойчивость.
Оборудование на базе БСН пригодно для изготовления деталей сложной формы, не являющихся телами вращения, в частности, для пакетной обработки поршневых колец, для обработки турбинных лопаток, кулачковых валов, винтов для винтовых компрессоров, а также для расточки и вихревого фрезерования.
Узлы БСН имеют большой конструктивный запас для обеспечения требуемых характеристик жесткости, ударостойкости и демпфирования в рамках компактной и технологичной конструкции. На основе элементов БСН можно производить узлы, встраиваемые в качестве обрабатывающих модулей в агрегатные станки и автоматические роторно-конвейерные линии.
При соблюдении некоторых стандартных (хотя и достаточно жестких) требований к степени очистки сжатого воздуха и бесперебойности его подачи узлы БСН практически не изнашиваются и исключительно долговечны. Уже сейчас в эксплуатации находится оборудование, в течение 10 лет работающее полностью без обслуживания, переборки и со 100%-ным сохранением исходных параметров. Для сравнения: нормальный срок службы прецизионного станка – около 2 лет, после чего он переводится в категорию точности классом ниже.
 
«ЗЕЛЕНОЕ» МАШИНОСТРОЕНИЕ
 
Вопросы защиты окружающей среды сегодня ставятся весьма остро. В связи с этим уместно отметить, что принцип «Ни капли масла в станке, ни капли СОЖ в рабочей зоне» для станков с элементами БСН не вульгарная лозунговщина, а норма жизни. И это не единственный экологический довод в пользу БСН.
«Твердое точение» на станках с подвижными узлами на основе бесконтактной силовой наномеханики позволяет не только исключить шлифовку, но и связанные с этой операцией выбросы твердых и жидких загрязняющих веществ. Механообработка на станках с БСН – это не только отказ от дополнительных операций в виде доводки и притирки свободным абразивом. Это еще и шаги в защиту экологии и здоровья рабочего.
 
НЕКОТОРЫЕ ВЫВОДЫ
 
Резюмируя сказанное на уровне технических и экономических доводов, можно утверждать, что бесконтактная силовая наномеханика обладает значительным инновационным потенциалом для развития станкостроения, машиностроения, экономики отдельных предприятий и отраслей хозяйственного комплекса страны, а также экономики страны в целом.
Резюмируя сказанное на уровне несколько более высоком, нежели тот, что занимают технические и экономические соображения, можно выразить надежду на то, что внедрение технологии и оборудования на базе бесконтактной силовой наномеханики позволит повысить авторитет России как индустриальной державы.
 
Справка
Анализ на основе теории подобия использует для описания физических явлений и процессов функции безразмерных параметров, образованных комбинациями размерных физических параметров. Расхожий пример – число Маха. Это отношение скорости объекта, движущегося в атмосфере (например, самолета), к скорости звука в атмосфере. И скорость самолета, и скорость звука имеют одинаковые размерности (м/с), а их отношение – безразмерная величина, меняющаяся на практике для «обычных» самолетов в диапазоне от 0 до «всего лишь» 3.
 
Адрес: 123007, г. Москва,
ул. 5-я Магистральная, 11, офис 11
Тел./факс: (495) 940-19-09,
276-19-09
Веб-сайт: www.amphoralabs.ru


 

Версия для печати
Авторы: Валерий КУЛИКОВ, Константин ИНДУКАЕВ, Павел ОСИПОВ
Разместить ссылку на: 


Добавить комментарий

Автор: *
Тема: *
Код c
картинки: *

Коментарий: