Глава 8. Заготовительное производство

В современном производстве заготовки для машиностроительных изделий получают 4 основными способами: 1) прокаткой; 2) ковкой и штамповкой; 3) литьем; 4) сваркой. Кроме того, в ограниченных масштабах для специфических изделий применяют: методы порошковой металлургии, волочение, газовую резку и т.д.

Прокатка - самый производительный и массовый способ получения заготовок (листов, труб, стержней и т.д.), но требующий крупногабаритного сложного оборудования (клетей прокатных станов, рольганов и т.д.), переналадка которого с одного типа продукции на другой технически осуществима только в узких пределах. Поэтому применение прокатной технологии на САС затруднительно. Если все же она будет внедряться, то тогда потребуется разработка малогабаритного оборудования, например, на базе существующих ковочных ювелирных лабораторных вальцов.

Ковка и штамповка - менее производительный способ, но зато позволяющий применять легкопереналаживаемое и более компактное оборудование. С точки зрения гибкости для САС наиболее предпочтительна ковка. В тоже время ковка - одна из наиболее сложных для автоматизации и роботизации заготовительный процесс. Сейчас на производстве с помощью ковки и штамповки получают только такие заготовки, которые нельзя получить прокаткой. При чем, как правило, в качестве исходного материала берут прокат близкого типоразмера. На САС ковкой придется получать и заготовки прокатного ассортимента, в т.ч. полосы, листы, стержни и т.д. Конечно, издержки получения таких заготовок будут выше, а качество ниже, чем при прокатке (в смысле более высоких припусков на механическую обработку на станках). Но это перекрывается высокой универсальностью и сравнительной компактностью оборудования. Кстати, именно ковка была единственным способом получения железных листовых и других заготовок до начала XIX в. Исходным материалом для ковки на САС будут стальные слитки, соответствующих размеров и форм, отлитые в изложницы или литейные формы. Ковка может выполняться на 2 типах оборудования: 1) молотах, 2) прессах. Первые - более производительны и компактны, зато вторые - позволяют обрабатывать более крупные заготовки (при тех же габаритах), более универсальны (т.к. могут быть использованы для прессования неметаллических изделий, вырубки листовых штамповок и т.д.) и, благодаря более плавному ходу, меньше создают вредных вибраций, мешающих работе высокоточного оборудования САС. Поэтому прессы являются более предпочтительными для САС. Ковочные прессы обычно гидравлические и для небольших усилий делаются одностоечными. Среди упоминавшихся в литературе, наименьшим гидравлическим ковочным прессом является одностоечный пресс бывшей немецкой фирмы Кальмат усилием 100 т, ходом плунжера - 350 мм, вылетом станины - 650 мм. Высота пресса (над полом) - 5000 мм, вес пресса - 16000 кг. Он обрабатывал слитки сечением 200 мм х 200 мм.[24] Для САС может возникнуть потребность в разработке ковочных прессов еще меньших размеров, например на усилия в 50 т и т.д.

Автоматизация процессов свободной ковки - трудная задача. Тем не менее, созданы и успешно эксплуатируются первые автоматизированные ковочные комплексы. Например, на Днепропетровском заводе тяжелых прессов изготовлен такой автоматизированный комплекс (мод. АКПА 1035-1). Комплекс предназначен для свободной ковки поковок из углеродистой и легированной стали широкой номенклатуры: длиной до 1500 мм; в т.ч. гладких и ступенчатых валов (диаметром до 290 мм и массой до 500 кг), колец (диаметром до 600 мм и массой до 150 кг), фланцев (массой до 80 кг), кубиков (массой до 220 кг) и т.д.[25] В состав комплекса входят: гидравлический ковочный пресс с верхним приводом усилием 3150 кН (315 т) мод. ПА 1235; ковочный стационарный поворотный манипулятор грузоподъемностью 630 кг мод. МКС 0,63; посадочная колесная машина с кантователем грузоподъемностью 630 кг мод. МПК 0,63. Пресс оснащен быстродействующими дистанционно управляемыми механизмами крепления верхнего и нижнего инструмента на оси пресса. Имеется 6-позиционный инструментальный магазин для вспомогательного инструмента и механическая рука для подачи инструмента в рабочую зону. В прессе предусмотрено устройство для смены верхнего бойка. Привод пресса масляный от регулируемых насосов. Схват хобота манипулятора оснащен губками и кернами, что позволяет оперативно захватывать и кантовать поковки различной конфигурации.Комплекс оснащен ЧПУ, что позволяет дистанционно осуществлять задание и контроль размеров поковок по толщине, а также автоматизировать отдельные движения ползуна пресса и исполнительных механизмов манипулятора. Уровень автоматизации тем не менее не обеспечивает возможность проведения «безлюдной» ковки. Комплекс обслуживают 2 оператора: один - управляет прессом и манипулятором, второй - управляет посадочной машиной, кантователем, механической рукой и 6-позиционным инструментальным магазином.

Комплекс занимает площадь 8 х 10,1 м, максимальная высота его над уровнем пола - 4,7 м, а с учетом заглубления в фундаменте - 8,1 м. Масса оборудования комплекса: пресса - 52 т, манипулятора - 9 т, посадочной машины - 5 т, установленная мощность всех электродвигателей - 195 кВт, стоимость в ценах конца 80-х годов - 250,9 тыс. руб. На комплексе достигается точность ковки по толщине ± 1,5 мм.2 3

Применительно к условиям САС необходима разработка аналогичных ковочных комплектов, но с более высоким уровнем автоматизации (работающих в безлюдном режиме) и меньших размеров (например, усилием в 100-50 т для получения поковок до 150-80 кг). Для повышения уровня автоматизации, видимо, потребуется установка на комплексе систем технического зрения, специальных контрольно-измерительных устройств и замена манипулятора роботом.

Производительность ковочных комплексов в условиях САС можно определить лишь весьма приблизительно, т.к. она сильно зависит от сложности поковок и степени необходимого обжатия заготовок.

Для гидравлических ковочных прессов средняя производительность на современных машиностроительных заводах составляет в расчете на 1 т усилия пресса (для прессов усилием 8 мН или 800 т) от 3.5 кг/час по поковкам I группы сложности (плиты, гладкие валы и т.д.) до 0,6 кг/час по поковкам V группы (особо сложные фасонные детали).4 На САС будут преобладать поковки простых форм (полосы, прутки и т.д. для элементов корпуса САС или сварных деталей оборудования), но среди последних будет большой удельный вес тонкомерных поковок, требующих большую степень обжатия (в обычных условиях получаемых методами прокатки). Поэтому для САС среднюю производительность ковочных прессов можно принять ориентировочно на уровне - 2-1 кг поковок/час. на 1 т усилия пресса.

Литье - как один из наиболее универсальных способов получения заготовок безусловно будет присутствовать в любой технологической схеме САС, особенно при изготовлении изделий сложной конфигурации. Однако литейная технология - много операционная, материалоемкая, трудоемкая и трудно автоматизируемая. Поэтому в условиях единичного и мелкосерийного производства все чаще литье корпусных деталей заменяют сварными деталями. В условиях САС литье корпусных деталей, особенно крупных, также по возможности должно быть заменено сварными или сварнолитыми, как более технологичными. Для получения остальных литейных заготовок должны быть выбраны способы, обеспечивающие высокую гибкость, использующие недефицитные материалы и легче поддающиеся автоматизации. Анализ современных способов литья (в песчано-глинистые формы, в кокиль, по выплавляемым моделям, в оболочковые формы и т.д.) дает основания отдать предпочтение литью по газифицируемым и выплавляемым моделям. Применительно к условиям САС первый способ имеет 2 важных достоинства: 1) легкость изготовления литейных моделей из пенополистирола; 2) упрощение процесса сборки литейных форм, т.к. отпадает необходимость изготовления и укладки стержней, сборки полуформ и т.д., что облегчает автоматизацию процесса. Кроме того, литье по газифицируемым моделям повышает качество литья, уменьшает припуски на механическую обработку. Модели из пенополистирола могут быть получены из стандартных пенопластовых блоков путем скоростной обработки их на обычных металлообрабатывающих центрах или контурной резкой роботом с помощью нагретой проволоки (через которую пропущен электрический ток). Способ производства отливок по газифицируемым моделям был впервые предложен в 1958 году Г. Шройером. Дальнейшим развитием этого способа стала магнитная формовка (впервые реализованная на установке фирмы Brown Boveri Co. в 1965 г.). Она позволяет существенно упростить литейный процесс, что делает новый способ особенно привлекательным для САС. Суть магнитной формовки сводится к тому, что пенополистирольную модель укладывают в опоку, засыпают ферромагнитным материалом (например, чугунной дробью), затем помещают в магнитное поле и заливают жидким металлом, после охлаждения готовую отливку извлекают из опоки, отключив магнитное поле. Этот способ имеет по сравнению с литье в песчаные формы 2 преимущества: во-первых, отпадает необходимость в приготовлении формовочных песчано-глинистых смесей, а значит не нужно смесеприготовительное оборудование. Для САС это обстоятельство важно еще и потому, что из окружающей сырьевой базы не всегда можно получить необходимые формовочные материалы. Во-вторых, упрощается технология извлечения и очистки отливок (по данным одного из заводов, на долю операций очистки литья приходится только 5% общей трудоемкости литья в магнитные формы, а на ту же операцию при литье по извлекаемым моделям в песчаные формы – 30,4% общей трудоемкости). Вместо громоздких выбивных решеток, очистных камер, барабанов и столов можно ограничиться роботом с легким навесным инструментом для очистки. Есть и другие достоинства этого способа. Процесс легко автоматизируется. Автоматическая установка включает вибростол, на котором в опоку из немагнитного материала с моделью засыпается стальная или чугунная дробь и уплотняется (длительность 10 сек.). В П-образный электромагнит помещается готовая опока, заливается металлом и охлаждается. После охлаждения опока возвращается на вибростол, где после небольшой вибрации легко отделяется, и формовочная смесь идет на новый цикл. В других вариантах (Р. Гофманн, А. Виттмозер) электромагнитный соленоид делали прямо на опоке и их вместе устанавливали на вибростоле, т.е. максимально совмещали установку и процесс. В целях дальнейшего совмещения процесса можно также предположить возможность использования вибростола для предварительной очистки отливки прямо в опоки (путем вибрационного трения о поверхность опоки частиц формовочной смеси). Для предотвращения приваривания ферромагнитного формовочного материала к поверхности стальной отливки, обязательно предварительное нанесение на газифицируемую модель антипригарочного покрытия толщиной 0,5-1 мм. Для стальных отливок наилучшим является покрытие на основе этилсиликата(по рецептуре ЗИЛа содержит 76% маршалита (молотого кварцевого песка), 7,2% этилсиликата марки ЭТС40, 0,65% соляной кислоты, 0,15% серной кислоты и воду).5 Не вдаваясь в детальные расчеты, приведем основные параметры оборудования магнитной формовки. Для опоки размером 1000 х 1000 х 1000 мм необходим П-образный электромагнит с магнитопроводом толщиной 10 см и 2 обмотками в 1100 витков сечением по 40,5 мм² и энергопотреблением 8,1 кВт (100 В и 81 А). Толщина каждой обмотки - 10 см, высота - 22,5 см.5 Ориентировочно масса магнитопровода может быть определена в:

[(11 дм х 11 дм)+ 2· (10 дм х 12,5 дм)]х 1 дм х 8 кг/дм³=2.936 кг» 3 т.

Обмоток (медных): 25 дм х 4,5 дм² х 9 кг/ дм² = 1008 кг» 1 т., обмоток (алюминиевых):»0,5 т.

Вибростолы оснащаются дисбалансным электровибратором с амплитудой колебаний 0,5 мм. Для опоки размером 1000 х 1000 х 1000 мм (общим весом с дробью и отливкой примерно 5 т) необходим вибратор: 5000· 9,8 кгс х 0,05 см = 2500 кгс· см (момент дисбаланса).

В качестве формовочной смеси используется стальная колотая или литая дробь или чугунная дробь. Литую дробь получают разбиванием струи жидкого металла, выливаемого из ковша на вращающийся барабан, частично погруженного в воду, а колотую - дроблением литой дроби или дроблением стружки.

На САС установка литья в магнитные формы должна обслуживаться роботом, который будет снимать модели с транспортных тележек, наносить на них антипригарное покрытие, после сушки опускать модель в вибрирующую опоку с дробью, осуществлять заливку, съем и очистку мелких отливок, и во взаимодействии с роботизированным мостовым краном осуществлять ковшовую заливку, снятие и очистку крупного литья.

В настоящее время имеется уже опыт промышленного изготовления различных отливок в магнитных формах, в частности, головок блока цилиндров двигателей грузовых автомобилей (завод Deimler Benz, ФРГ), матриц и пуансонов для обрезки облоя (ЗИЛ), втулок опоры ходового винта токарного станка (завод «Станколит»), тракторных гильз и деталей тормозных устройств (институт проблем литья АН УССР) и др.6

Для САС кроме литья в магнитные формы представляют интерес и другие разновидности литья по газифицируемым моделям, например, в формы из кварцевого песка без связующего.

Перспективным для САС может стать также литье по выплавляемым моделям. По сравнению с литьем по газифицируемым моделям, эта технология имеет 2 важных преимущества: 1) более доступный материал для изготовления моделей (парафин, церезин, мочевина и другие вместо полистирола), 2) более высокая точность отливок (8 класса точности для стальных отливок), что в некоторых случаях позволяет отказаться от механической обработки или свести ее к минимуму. В то же время индивидуальные выплавляемые модели изготовить сложнее, чем из пенополистирола. Масса отливок, как правило, не превышает 200 кг. Основные компоненты выплавляемых моделей - парафин и церезин, легко могут быть получены синтезом углеводородов из СО и Н2 по способу Фишера-Тропша. Добавляемые в небольших количествах буроугольные и торфяные воски, стеарин, канифоль, пластические смазки - не являются строго обязательными (при необходимости на САС могут быть заменены полиэтиленовыми восками - продуктами деструкции полиэтилена). В промышленности модели обычно изготавливают в пресс-формах (для массовых и серийных отливок), но в отдельных случаях модели для единичных отливок получают обработкой резанием заготовок из выплавляемых составов. На САС из-за индивидуального производства будет преобладать последняя технология. Чтобы не усложнять производственный процесс, модели целесообразно вырезать из блоков на основных металлорежущих станках, что избавит от применения специального оборудования. Загрузка станков на изготовлении моделей будет незначительна, т.к. благодаря мягкости модельных материалов обработку можно вести на высоких скоростях и глубоких подачах. Отдельные части моделей, литники и т.д. могут быть соединены роботом (сборочным и т.д.) с помощью применяемых в промышленности способов: 1) нагретым электропаяльником, 2) пайкой жидким модельным составом, 3) механическим креплением (на металлическом стояке-каркасе с зажимами), 4) приклеиванием. Литейные стержни удобно изготовлять из карбамида (tпл.=129-134°, с малой усадкой), который затем удаляется растворением в воде.

Литейная форма готовится окунанием модели в суспензию связующего с пылевидным кварцем, обсыпкой мелким кварцевым песком и сушкой. Повторяя этот процесс, наносят обычно 3-10 слоев (для крупных отливок - до 20 слоев), чтобы получить оболочку достаточной толщины. Суспензию готовят смешиванием (при 2800 об./мин.) этилсиликата, растворителя (воды или спирта, ацетона), соляной кислоты, пылевидного кварца в течение 20-60 мин. Иногда добавляют также ПАВ, серную кислоту, фосфорную кислоту, глины и т.д. Этилсиликат получают этерификацией тетрахлорсилана водным раствором этанола, что осуществимо на САС (используя промежуточные продукты получения полупроводникового кремния). Для САС, имеющих ограниченные ресурсы хлора, а также в целях упрощения технологии приготовления связующего, можно вместо этилсиликата применить кремнезол, получаемый электродиализом водного раствора жидкого стекла. Об успешном применении его в промышленности неоднократно сообщалось в литературе.Возможна равноценная замена этилсиликата ацетоносиликатом.Его получают нейтрализацией жидкого стекла (уд.вес.1,25) 14-15%ной серной кислотой,добовляют ацетон,потом поваренную соль(для снижения растворимости ацетона в воде).Через сутки отстаивания,отделяют верний слой ацетонсиликата от нижего водного слоя.Правда прочность оболочек из него на 10-15% ниже чем из этилсиликата.7 Еще более простым заменителем этилсиликата в качестве связующего является само жидкое стекло, но с ним отливки получаются менее точные, т.к. при высокой температуре оболочки деформируются. Обсыпка форм в промышленности ведется в барабанных пескосыпках, погружением модели в слой псевдоожиженного песка или с помощью робота. Последний вариант хотя и менее производительный, но наиболее предпочтителен для САС, т.к. требует минимум специального оборудования и наиболее универсален (позволяет обсыпать как мелкие, так и крупные модели). Для этого робот должен быть оснащен переносным пескоструйным устройством. Сушка форм с водной суспензией ведется в потоке воздуха (скорость 2-6 м/сек.) при температуре до 27°С (с колебаниями не более ±1,6°С) в течение 2-2,5 час. (с суспензией на ацетоне - до 20-30 мин.) Модельный состав удаляют выплавлением в воде (при 95-100°С, 10-30 мин., потери 10-5%), выплавлением в расплаве (при 120-135°С, 8-12 мин., потери 15-40%) перегретым паром (при 135-165°С, давление 3-8 атм., 5-7 мин, потери 4-2%), горячим воздухом (при 150-300°С, 30-120 мин., потери св. 20%), токами ВЧ. Наиболее простой и распространенный - первый способ. Если оболочка формы тонкая, то необходима засыпка (формовка) опоки с формой опорным наполнителем (кварцевым песком, шамотным порошком, электрокорундом, раствором из глиноземистого цемента и кварцевого песка). Для этой операции требуется вибростол.

Следующая операция - прокаливание форм в окислительной среде при 800-1100°С может быть выполнена в обычной камерной печи с подачей кислорода (для выжигания остатков модели).

Наиболее качественные стальные отливки получают при заливке металла в формы, предварительно нагретые до 900°С с опорным наполнителем с последующим медленным естественным охлаждением со скоростью 6°С/мин. (естественное охлаждение форм без наполнителя идет со скоростью 30°С/мин., а при душировании водой - 80°С/мин).

Выбивка отливки из опоки и предварительная очистка от оболочки и наполнителя ведется на вибрационной установке, которая на САС конструктивно, видимо, может быть выполнена на базе вибростола для формовки опоки, что позволит объединить две установки в одной. Отрезка литников и прибылей в условиях САС может выполняться на металлорежущих станках (дисковыми фрезами, абразивными кругами и т.д.) или роботом, оснащенным газоплазменным резаком.

Окончательная очистка отливок (до 10% оболочки в отверстиях и т.д.) осуществляется в дробеструйных установках (барабанах, камерах), в расплаве (при 500°С) или кипящем 45-55% растворе щелочи. Последний способ предпочтительнее для САС, т.к. имеет наиболее простое аппаратное оформление, обеспечивает самую полную очистку и образует в качестве побочного продукта жидкое стекло, которое можно использовать в литейном и других процессах (после оптимизации отношения кремнозоля и щелочи с помощью электродиализа). Недостатками являются длительность процесса (1-2 часа в растворе КОН) и высокий расход щелочи (1,3-1,4 кг КОН на 1 кг оболочки).8

Для снятия внутренних напряжений отливки подвергаются термообработке (отжигу или нормализации) при 900-950°С, что не требует специального оборудования.

Для некоторых отливок со сложными полостями применяют формы с керамическими стержнями. Спеченные стержни получают из смеси 80-90% порошка электрокорунда, непрозрачного кварцевого стекла (НКС), кальцинированного Al2O3 и 10-20% пластификатора (парафина с небольшой добавкой полиэтилена) путем прессования (при 90-75°) и обжига при 1100-1350° (в течение 6-10 час.)8 Холоднотвердеющие стержни делают из смеси электрокорунда, КНС с 20-28% связующего (этилсиликата с растворителем), запрессовкой в ящик и сушкой.

Рассмотренные технологические схемы литья по выплавляемым моделям позволяют сделать заключение, что многие операции могут быть выполнены на оборудовании общего назначения САС (станках, камерных печах, прессах и т.д.). Из специализированного оборудования необходимы: 1) камера для обсыпки и сушки форм, 2) вибростол для формовки форм и очистки отливок, 3) ванна для щелочной очистки отливок. С помощью передвижного робота перемещаются модели, формы, опоки и отливки, (крупные - с помощью роботизированного крана), проставляются стержни, собираются модели, обсыпаются формы, ведется заливка форм, удаляются литники и прибыли.

Удельный расход материалов на 1 т годного литья составляет (по данным заводов): песка - 1.2-0,8 т, маршалита - 366-268 кг, связующего - от 205 кг (жидкое стекло) до 73 кг (этилсиликат), соляная кислота - 6-4 кг, растворитель (ацетон, спирт) - 48 кг, NaOH - 152-64 кг, модельный состав - 48-50 кг, борная кислота - 0,3-3,2 кг.9

Литье по газифицируемым или выплавляемым моделям может дополняться на САС и другими видами литья. Прежде всего речь идет об отливке в изложницах слитков для последующей ковки.Возможно изготовление отливок сложной формы безмодельным способом,разработанным английским исследовательским центром “Castings Development Centre”.На 5-осном фрезерном станке с ЧПУ ведут прямую машинную обработку форм и стержней из уплотненной формовочной смеси со связующим для отливок весом до 1т(гребные винты,корпуса насосов и т.д.)При этом чистота поверхности и точность отливок выше,чем у полученных по обычным технологиям.(БИКИ,2000г.,№110,с.10)

Сварочные способы получения корпусных заготовок более прогрессивны, чем литейные. По сравнению с литыми чугунными они имеют на 30-40% меньшую массу (при одинаковой жесткости), меньшую (приблизительно в 2 раза) стоимость обработки резанием (что связано с отсутствием заусенцев, меньшей шероховатостью поверхности, большей точностью размеров и меньшими припусками на механическую обработку).10 Кроме того, что особенно важно для САС, сварочные методы и средства производства имеют более высокую универсальность и гибкость, что позволяет быстро переналаживать изготовление корпусных деталей широкой номенклатуры в условиях единичного производства, сокращает технологический цикл. Здесь имеются и более широкие возможности автоматизации изготовления заготовок деталей на базе оборудования с ЧПУ. По мнению специалистов, с функциональной точки зрения сварочные конструкции сейчас практически равноценны литым.11

В настоящее время сваркой получают заготовки базовых деталей станков (например, основания, стойки, поперечины и т.д.), базовые детали кузнечно-прессовых машин (например, станины кузнечных прессов фирмы Hill Acme Co. и др.), рамы транспортных машин, блоки цилиндров крупных двигателей внутреннего сгорания, некоторые корпуса редукторов, коробок скоростей и т.д. Перечень охватывает практически все основные корпусные детали, что дает основание считать, что на САС технически осуществим полный перевод на сварные конструкции всех крупных корпусных деталей (например, с габаритом более 500 х 500 х 500 мм). Это позволило бы упростить заготовительное производство, существенно ограничив габариты плавильного и литейного оборудования.

Типовой процесс изготовления сварных заготовок состоит из трех этапов: 1) подготовка набора элементов (резка стальных листов и балок, гибка, механическая обработка, разделка кромок под сварку), 2) сборка элементов и соединение их сваркой в заготовку; 3) снятие остаточных напряжений со сварной заготовки. В современном производстве сварные детали, как правило, получают из проката (листов, уголков, балок и т.д.). В условиях САС исходным материалом для изготовления сварных деталей станут поковка (полосы, стержни и т.д.), и отливки (плиты, балки и т.д.), причем небольшой массы (максимум в несколько сотен-десятков килограмм). Это потребует введения дополнительных этапов при изготовлении крупных деталей. Сначала надо будет подготовить поковки (обрезать неровные края, раскроить до нужных размеров, разделать кромки и т.д.), затем сварить из них укрупненные элементы (листовые полотнища, сортовой профиль и т.д.), в случае необходимости подготовить и снять с них остаточные напряжения и только после этого перейти к сборке элементов, соединению их сваркой и снятию остаточных напряжений с заготовок.

В условиях автоматизированного производства для получения сварных заготовок нужны 2 основных типа оборудования: 1) резательные машины с ЧПУ и 2) сварочные роботы. В машиностроительной практике сейчас широко применяются газорезательные машины с ЧПУ типа «Кристалл» (ТПл-2,5; ТПл-3,2 и т.д.), которые разрезают по заданному профилю листы любой толщины с высокой точностью и одновременно разделывают кромки раскроя под сварку. Но это высокопроизводительное оборудование громоздкое и дорогостоящее, его установка на САС оправдано только при наличии очень больших объемов сварочных работ (например, при изготовлении корпуса САС из металла). В противном случае целесообразнее совместить в одном роботе оба типа оборудования, оснастив его съемными резательными и сварочными головками. Чтобы резать и сваривать фрагменты крупных деталей, робот должен иметь большую рабочую зону (соответствующую габаритам наибольшей свариваемой детали), поэтому должен быть передвижным или на портале, траверсе и т.д.

Для сборки заготовки перед сваркой на современных заводах широко используют переналаживаемые сборно-разборные приспособления (в т.ч. с механизированным приводом). На САС из-за широкого диапазона номенклатуры и типоразмеров свариваемых заготовок такие приспособления, видимо, будут применяться ограниченно. Более универсальным средством здесь является робот. Поэтому сварочно-резательный робот обязательно будет дополняться вспомогательным сборочным роботом, который будет брать поковки и элементы из контейнеров, кассет или транспортных тележек и устанавливать их в нужное положение для резки или соединять с другими элементами для прихватки и сварки. Этот же робот будет убирать готовые заготовки, элементы и обрезки (отходы). Для манипулирования крупногабаритными элементами и заготовками в процессе сварки будет использоваться роботизированный мостовой кран общего назначения. Для сварки небольших заготовок, видимо, потребуются поворотные столы, а для крупных - стенды с устройствами фиксации базового элемента (электромагнитными и т.д.).

Создание такой специализированной ячейки для изготовления сварных заготовок деталей машин оправдано только при условии высокой степени ее загрузки. При небольших объемах изготовление сварных заготовок целесообразнее, видимо, будет осуществлять на участках (центрах) общей и узловой сборки машин с помощью имеющихся там сборочных роботов и приспособлений (при этом должна быть обеспечена защита высокоточного сборочного оборудования от вредного воздействия сварочного процесса - брызг металла, вредных газовыделений).

Для САС, размещенных в металлическом корпусе и поэтому оснащенных корпусосварочным оборудованием, целесообразно предусмотреть возможность изготовления сварных заготовок деталей машин на этом же оборудовании.

При изготовлении сварных заготовок в станкостроении сейчас преобладает ручной электродуговой способ, но он постепенно вытесняется сваркой плавящимся электродом в углекислом газа, характеризующейся высокой мобильностью, широким диапазоном технологических возможностей, простотой процесса и используемого оборудования.

Ответственным этапом сварочной технологии является снятие остаточных напряжений со сварных заготовок для обеспечения размерной стабильности их при последующей обработке. Традиционным способом снятия остаточных напряжений является термообработка в печах (отпуск). Для этого способа характерны применение громоздкого оборудования, длительный цикл, высокие энергозатраты и другие недостатки, что делает его малопригодным для САС. Сейчас разрабатываются новые способы снятия остаточных напряжений. Один из наиболее перспективных среди них (в т.ч. и для САС) - способ вибронагружения. С помощью установленного на заготовке вибратора (электромотора с дисбалансами на валу с системой управления) и измерительного датчика, сообщается необходимая частота и амплитуда колебаний (подбирается для каждой заготовки индивидуально по величине резонансных пиков собственных колебаний заготовки, определяемых с помощью специального датчика, установленного на заготовке). Виброобработка характеризуется отсутствием нагрева заготовки (не образуется окалина), быстротой процесса (обычно 2-10 мин.), использованием компактного оборудования (обычно электромоторы мощностью 0,37-1,5 кВт), низкими энергозатратами (в 10 раз экономичнее отпуска), универсальностью технологии. Наиболее эффективна виброобработка сварных конструкций простой формы (балок, колец, плит) из малоуглеродистой стали. Виброобработка конструкций сложной формы, имеющих высокую жесткость, затруднена. Для них нужен вибратор с большой частотой колебаний. Примером такого вибратора является установка У912, разработанная в ИЭС им. Патона (ее характеристики: максимальное возмущающее усилие вибратора - 6000 кГс, рабочий диапазон частот колебаний изделия - 20-100 Гц, амплитуда колебаний изделия - 0-10 мм, потребляемая мощность - 5 кВт, габарит вибратора - 620 х 220 х 220 мм, масса вибратора - 47 кг).12

Имеются сообщения о виброобработке крупных и ответственных сварных заготовок. Так, фирма Wagner Steel Fabrication (ФРГ) применила виброобработку основания станка массой 20 т и длиной 10,7 м, другая фирма - поперечины карусельного станка массой 82 т, фирма Hill Acme Co - сварных станин кузнечных прессов (виброобработка длилась 1,5 часа) и т.д. Все это свидетельствует о технической возможности и целесообразности применения на САС вибрационной технологии снятия остаточных напряжений с крупных и средних сварных заготовок (мелкие заготовки могут отпускаться в печи, предназначенной для других операций термообработки), а также с отливок.

Термообработка заготовок и готовых изделий - обязательная стадия производства для любой САС. Причем объем термообработки в расчете на тонну изделий будет больше, чем на современных машиностроительных заводах, что будет связано с заменой легированных сталей углеродистыми.

На САС будут широко применяться все основные виды термообработки - закалка, отпуск, отжиг. При закалке углеродистые конструкционные стали нагреваются до 900°- 1100°, инструментальные стали - до 760-710° с выдержкой при данной температуре в течении 1/5 времени нагрева (равного 1 мин./мм поперечного сечения детали) с последующей быстрой закалкой в воде (на мартенсит); медленной закалкой в масле (на троостит); прерывистой закалкой сначала в воде и затем в масле (или на воздухе); ступенчатой и изотермической закалкой в расплаве солей или щелочей (нагретых до 300-350°) с выдержкой и потом охлаждаются на воздухе. Для снижения хрупкости закаленной стали конструкционные стали подвергаются высокому отпуску (при 500-650°), рессоры, пружины и другие детали с высоким пределом упругости - среднему отпуску (при 350-500°), инструментальные углеродистые стали - низкому отпуску (при 150-250°). Длительность выдержки при отпуске обычно составляет 0,5-1,5 час. Для снижения твердости, повышения пластичности и вязкости стали на производстве применяют отжиг с нагревом стали до температур закаливания с последующим медленным охлаждением вместе с печью (смягчающий отжиг) или на воздухе (нормализация). Нормализация предпочтительнее для САС, т.к. позволяет сократить время загрузки печи, достигающее 10-20 час при смягчающем отжиге. В производстве применяются также широко диффузионный отжиг для выравнивания химического состава с объеме слитка (при 1050-1150° в течение 8-15 час), рекристаллизационный отжиг для снятия наклепа при ковке, штамповке, прокате, волочении, отжиг для снятия остаточных напряжений в отливках, сварных соединениях (при 600° в течение 20 час).13 Однако на САС эти виды отжига будут использоваться более ограниченно, т.к. диффузионный отжиг предназначен в основном для легированных сталей, отжиг для снятия остаточных напряжений целесообразно заменить виброобработкой. Рекристаллизационный отжиг проволоки удобнее осуществлять на самом волочильном агрегате.

Особое значение для замены легирующих сталей на САС будет иметь поверхностная закалка деталей токами высокой частоты. На САС широко будет применяться и химико-термическая обработка – цементация,азотирование, цианирование, нитроцементация и диффузионная металлизация.

Цементация (насыщение поверхности детали углеродом на глубину до 1-1,5 мм) с последующей закалкой и низким отпуском ведется в основном в обычной печи в ящике с твердым карбюризатором (смесь древесного угля с 10-40% Na2CO3 или BaCO3) при 900-950° в течение 10-20 час. или в герметично закрытой печи СО, газообразными углеводородами. Второй способ предпочтительнее для САС, т.к. сокращает время цементации в 2 раза, легче автоматизируется и требует более простых реагентов (СО, СН4 и т.д.), но он применим только при соответствующем оборудовании печей.

Азотирование ведут в среде газообразного аммиака с целью насыщения поверхностного слоя детали активным азотом (в виде Fe4N и Fe3N) в двух режимах: при 500-520° для повышения твердости, износостойкости, предела выносливости сталей и при 600-700° для повышения коррозионной стойкости стали к влажной атмосфере, пресной воде. Перед азотированием проводят закалку и высокий отпуск. На САС этот вид обработки, видимо, будет ограничено использоваться, т.к. прочностное азотирование применяется только для легированных сталей.

Цианирование (насыщение поверхности деталей атомами азота до 1,2% и углеродом 0,7%) ведут при 820-860° в расплаве солей NaCl и Na2CO3, содержащего 20-25% цианистого натрия (NaCN). Цианирование повышает твердость, износостойкость, сопротивление усталости, коррозионную стойкость, но требует применения дорогого и ядовитого реагента (NaCN). Поэтому для САС предпочтительнее замена его нитроцементацией (цианированием в газовой среде). Процесс идет при 850-870° в течение 8-10 час. в среде науглероживающих газов с аммиаком. При нитроцементации производится закалка и низкий отпуск.

Диффузионная металлизация -процесс диффузионного насыщения поверхности стальных деталей металлами для повышения коррозионной стойкости, жаростойкости, износостойкости и твердости. В промышленности наиболее часто применяют насыщение алюминием (алитирование), хромом (хромирование), бором (борирование), кремнием (силицирование). На САС основными видами диффузионной металлизации будет алитирование, силицировавние и, возможно, титанирование (насыщение титаном). Процесс ведут в твердых, жидких и газообразных средах. В первом случае деталь нагревается в ящике с карбюризатором, которым служит порошок сплава железа с соответствующим элементом (ферросилиций, ферроалюминий, ферротитан и т.д.) с добавкой небольшого количества хлористого аммония. Последний образует с элементами летучие хлориды, которые, соприкасаясь с деталью, разлагаются с внедрением в нее элемента. Жидкая металлизация производится погружением в расплавленный металл, а газовая - с применением газообразных хлоридов.

Алитирование осуществляется путем напыления алюминия на деталь или погружением ее в расплавленный алюминий. Затем в 2-3 приема покрывают деталь сплошным слоем обмазки, замешенной на жидком стекле и состоящей из 50% графита, 18% огнеупорной глины, 30% кварцевого песка и 2% хлористого аммония. После этого деталь нагревают до 900-950° и выдерживают 3 часа.14 По другому способу деталь, тщательно очищенная от окалины, ржавчины, грязи засыпается в контейнере смесью из 49% измельченного ферроалюминия (сплав из 40% железа и 60% алюминия), 49% порошка окиси алюминия и 2% хлористого аммония. Толщина слоя засыпки вокруг детали не менее 15-20 мм. Контейнер с деталью и засыпкой плотно закрывается крышкой, щели замазываются огнеупорной глиной, после чего контейнер выдерживается в печи 2 час. при 950°.15 При алитировании достигается высокая окалиностойкость благодаря плотной пленке Al2O3. Глубина алитированного слоя 0,3-0,6 мм, который термостоек до 900-950°. Алитированные детали из малоуглеродистых сталей, работающие при повышенной температуре, имеют почти такой же ресурс, как и детали из жаростойких металлов. Из них, в частности, изготавливаются детали рабочих камер печей с рабочей температурой до 950°.15

При силицировании деталь выдерживается в порошкообразной смеси, состоящей из 75% ферросицилия, 25% шамота и 5% хлористого аммония или в газовой среде SiCl2. Диффузия протекает при 900-1000°. Силицирование повышает коррозионную стойкость и износостойкость деталей.16 Например, газовое силицирование повышает кислотостойкость технического железа в 10%-ной серной кислоте в 100-200 раз.17 Силицированные стали заменяют нержавеющие стали. 16 18

Титанирование деталей по одному из способов ведут при 1000-1200° в течение 4-8 час. в смеси из 75% малоуглеродистого ферротитана, 15% плавикового шпата, 4% фтористого натрия, 6% соляной кислоты. При титанировании по другому способу при 975° в течение 6 часов составом из 50% Ti, 45% Al2O3, 5% NH4Cl на стали марки 45 образуется защитный слой толщиной 14 мкм, содержащий 76% TiC. Титанирование резко повышает коррозионную стойкость деталей. Так, титанирование стали 20 в порошковой смеси ферротитана (Ti ³ 30%), повышает ее стойкость в серной и азотной кислотах по сравнению с исходной в 10-15 раз. При испытаниях титанированная сталь 45 теряла в весе через 1680 час. в 10%-ной HCl - 225 мг/см² площади, в 10%-ной H2SO4 - 199 мг/см² площади через 1008 час. в 65%-ной HNO3 - 78 мг/см² и в 96%-ной H2SO4 - 4 мг/см², через 120 час. в 37%-ной - 266 мг/см².15

Некоторые представления о возможном объеме и структуре термообработки на САС дают среднестатистические данные по производству характерных для САС групп оборудования:19

Таблица№13

	Станки	Дизели	Гусеничные тракторы до 10 т	Режущий инструмент из углеродистой стали
I. Вес поковок (в % от всех поковок или в кг) Кратность нагрева, с Распределение по основным операциям (%): n отжиг и нормализация n закалка n отпуск	15-20% 1,2-1,5 до 80	50-60% 1,5-2,0 20-25 45-50	600-800 кг 1,2-1,5 25-30 30-37 30-37,5
II. Вес механически обра-ботанных деталей (в % от общего веса или в кг) Кратность нагрева, с Распределение по основным операциям (%) n цементация n цианирование n азотирование n закалка n высокий отпуск n низкий отпуск n нормализация	10-15% 2,3-2,5 20-25 до 5 2-3 20-45 10-15 30-35 до 3	40-50% 2,5-3,5 2,5 до 2	250-350 кг 2,3-2,8 15-20 до 5 - 20-25 35-40 15-20 до 5	- - - - 50-60

Основными видами оборудования участка термообработки на САС будут нагревательные печи, установка поверхностного нагрева, закалочные баки и ванны, вспомогательное оборудование для очистки деталей после термообработки (моечное, травильное, дробеструйное и т.д.)

В промышленности используются камерные, шахтные печи, печи непрерывного действия (конвейерные, толкательные, барабанные, карусельные) и печи-ванны. Печи непрерывного действия применимы только для массового производства небольших деталей. Шахтные печи необходимы для термообработки длинных деталей (осей, валов и т.д.), которые во избежании деформации при большом нагреве должны устанавливаться вертикально. Проходная закалка длинномерных деталей на установке поверхностного нагрева, а также применение специальных поддерживающих приспособлений для горизонтальной термообработки их в обычных печах, сделают излишним оснащение САС шахтной печью. Ванны-печи с расплавом смеси солей

используются для термообработки мелких деталей, обеспечивают равномерный и быстрый нагрев без окисления и обезуглероживания детали и могут в некоторых случаях устанавливаться на САС, как дополнительная печь. Основной же печью для нагрева будет камерная, как наиболее универсальная в эксплуатации и простая в изготовлении. Для большинства САС печь будет электрической. Она легко регулируется и автоматизируется, наиболее универсальна и не зависит от вида источника энергии, используемого САС. Для САС, применяющих органические виды топлива (торф, биомассу), возможно, целесообразнее будет в целях экономии электроэнергии использовать пламенную печь, отапливаемую генераторным газом или биогазом. Может быть для некоторых САС будет оправдано создание высокотемпературных солнечных печей для термообработки и других видов работ.

Камерные электропечи сопротивления состоят из железного корпуса, футеровки (обычно - шамотовых кирпичей), дверцы с подъемным устройством, электронагревателей (чаще - из хромоникелевых сплавов, реже - из карбидокремниевых стержней), а также имеют иногда выдвижной под для механизации погрузки-выгрузки деталей, и некоторые другие приспособления (вентилятор и т.д.). Чтобы исключить использование дефицитных металлов, нагреватели печи должны быть карбидокремниевыми. Правда, они сложны в изготовлении. Другой альтернативой могут быть на САС также угольные стержневые или криптоловые нагреватели. Последние представляют собой измельченную до 0,5-1,5 мм крупку отходов угольных электродов или прокаленного кокса (с минимальной зольностью), равномерно засыпанного в закрытые щелевые углубленья пода или боковых стенок камеры. На противоположных концах криптоловой засыпки за пределами рабочего пространства камеры в засыпку вставляются железные электроды, при пропускании через которые тока криптол может быть разогрет до очень высоких температур. Криптоловые печи очень просты в изготовлении, но требуют частой подсыпки криптола (через несколько дней) по мере его выгорания. Своеобразным дешевым нагревателем является жидкая стекломасса, залитая в шамотную ванну с двумя электродами из обычной стали. При пропускании тока через стекломассу (состава 72,8% SiO2, 4% Al2O3, 8,7% CaO, 14,5% Na2O) нагреватель давал температуру 1250-1350° в течение 500-700 часов, что превышает срок службы других нагревателей.20 Но узкий температурный диапазон и необходимость непрерывной работы делает его применение маловероятным.

Вместо кирпичной кладки для облегчения роботизированной укладки и ремонта футеровка печи должна быть набивной или лучше наливной (например, из жаростойкого бетона на глиноземистом цементе или кислой футеровочной смеси для сталеплавильных печей, состоящей из 88% кварцевого песка, 6% жидкого стекла, 4% огнеупорной глины, 2% едкого натра).21 Для снижения тепловых потерь часть футеровки целесообразно заменить плитами из высокотемпературного керамического волокна. Это позволит значительно снизить вес печи, что облегчит ее перемещение при монтаже и т.д.

Конструкция печи и особенно дверцы должна обеспечивать надежную и простую герметизацию рабочего пространства, чтобы печь могла использоваться как для обычной термообработки, так и для химико-термических операций в регулируемой или защитной среде.

Механизированная погрузка-выгрузка печей с выдвижными подами на роликовых опорах требует применения специальных жаропрочных легированных сталей. При температурах нагрева до 950° они могут быть заменены алитинированной углеродистой сталью. Для более высоких температур потребуются другие технические решения. Например, оснащение обслуживающего робота специальным схватом с длинными лапками, охлаждаемыми внутри водой, воздухом и т.д. Возможно, при кратковременном нахождении в печи схвата из обычной углеродистой или алитинированной стали охлаждения не потребуется.

В целях максимальной загрузки печи, кроме термообработки на ней целесообразно выполнять и другие операции - прежде всего нагрев слитков под ковку и штамповку, а также обжиг керамических и эмалированных изделий, варку стекла в горшках и т.д. Поэтому предпочтительно на небольших САС размещать участок термообработки рядом с ковочным прессом (или молотом), что позволит обслуживать ковочное и термическое оборудование одним ковочным роботом, размещенным на подвижном основании.

Габариты печи зависят от максимальных размеров детали, проходящей печную обработку.

Поверхностная закалка деталей на САС может осуществляться 3 способами: индукционным нагревом токами высокой частоты; 2) контактным электронагревом; 3) пламенным нагревом газовой горелкой.

При первом способе деталь или участок ее нагревается медным индуктором, профилированным в соответствии с нагреваемой поверхностью с последующим или одновременным охлаждением деталей в проточной воде. Индуктор питается от генераторов тока ВЧ. Удельная мощность, необходимая для закалки углеродистой стали на глубину 2 мм при частоте тока 2000 Гц равна 2 кВт/см² площади детали, а при частоте тока 200000 Гц - 0,5 кВт/см². При этом время нагрева соответственно составляет 0,4 сек. и 4 сек., а КПД нагрева - 0,8-0,4 (с ростом зазора между индуктором и деталью КПД снижается).

Контактный электронагрев осуществляется соприкасанием с деталью электродом в виде перемещающегося медного калящего ролика. Ролик питается током от однофазного понижающего трансформатора, применяемого в аппаратах контактной сварки. Для закалки на глубину в 2 мм на калящий ролик должно прикладываться усилие не менее 35 кг на 1 мм ширины ролика, а плотность тока составлять 550 А/мм ширины при напряжении 2,5-0,87 V и скорости перемещения ролика - 7 мм/сек. Для повышения производительности устанавливают несколько калящих роликов (при расстоянии между роликами - 4-5 мм их зоны закаливания сливаются).22 Устройства контактного электронагрева удобно монтировать на суппорте токарного станка (для закалки деталей типа тел вращения) или на шпиндельной бабке обрабатывающих центров (для закалки корпусных и других деталей). Деталь подают под ролик с расчетом перекрытия на 40-35% ширины предыдущей закаленной полосы. Деталь и калящий ролик постоянно охлаждаются проточной водой или 5-10%-ной эмульсией.

Пламенная закалка предполагает нагрев детали высокотемпературным пламенем кислородной горелки, сжигающей ацетилен, водород, метан, генераторный газ или какой-нибудь другой горючий газ, с последующим быстрым охлаждением детали водой. В качестве горелки используется стандартная сварочная горелка, оснащенная водоохлаждаемым сменным закалочным наконечником для закалки разных деталей. Закалка ведется стационарным способом, когда горелка и охлаждающее устройство попеременным включением закаливают какой-то участок детали, или поступательным, когда вдоль детали перемещается горелка, а за ней охлаждающее устройство. При непрерывной закалке кислородно-ацетиленовой горелкой деталей на глубину 2 мм скорость движения горелки - 12,2 см/мин., расход кислорода - 1 л/см², ацетилена - 0,5 - 1 л/см² поверхности детали (при замене ацетилена на водород 2 л водорода/см²). Горелка обычно устанавливается на металлообрабатывающих станках. Пламенным способом закаливаются шестерни, рейки, валы, шпиндели, прокатные валки, цилиндры, направляющие станин станков и т.д. Поверхность деталей остается чистой и не получает окисления, обезуглероживания или науглероживания.

С точки зрения энергоемкости самый экономичный - индукционный нагрев. При глубине закалки в 2 мм расход электроэнергии при этом способе - 2,8-13,7 кВт-час/м² поверхности деталей против 29-92 кВт-час/м² у контактного электронагрева и ок. 100 кВт-час/м² у пламенного нагрева кислородно-водородной горелкой из расчета расхода 20 м³ Н2/м² и расхода электроэнергии на получение 1 м³ Н2 электролизом воды - 5 кВт-час/м³ Индукционный нагрев позволяет закаливать детали самой сложной формы и в широком диапазоне глубины закалки. Вплоть до 0,1 мм и менее, в то время как электроконтактный способ применим только для деталей простых форм и для глубины закаливания от 2 мм и более. Поэтому наиболее предпочтителен на САС индуктивный нагрев при условии многофункционального использования генератора ВЧ. На небольших САС альтернативой ему может стать пламенный способ закалки (при наличии источников водорода или генераторного газа).

Принципиальное значение для самообеспечения САС основными конструкционными материалами является замена дефицитных легированных сталей термообработанными углеродистыми сталями, чугунами и менее дефицитными легированными сталями. Современное производство потребляет 11 основных видов легированных сталей: низколегированную, конструкционную, подшипниковую, нержавеющую, жаропрочную, высокомарганцевую, штамповую, быстрорежущую, автоматную, пружинную, электротехническую (динамную и трансформаторную).

Самые массовые - низколегированные стали с повышенным содержанием марганца (типа 09Г2 и др., содержат до 1,8% Mn). По сравнению с обычными углеродистыми сталями имеют прочность в 1,5 раза выше, их используют в строительстве, в транспортных средствах (судах, вагонах, автомобилях) и т.д. Существует равноценная замена массовых низколегированных сталей (марки 09Г2, 14Г2 и т.д.) термомеханически упроченными углеродистыми сталями. Например, сталью марки Ст 3 Пс, содержащей 0,4-0,65% Mn. Она имеет предел текучести sт 390-325 Н/мм² вместо 340-310 Н/мм² у горячекатаной низколегированной стали и 240 Н/мм² у обычной стали Ст3пс, предел выносливости sв - 470-490 Н/мм² против соответственно 450-490 Н/мм² и 370 Н/мм². Эта сталь превосходит низколегированную также по сопротивлению переменным нагрузкам, циклической вязкости, трещиностойкости, коррозийной стойкости, хладостойкости (критическая t° хрупкости равна -50°С). Технологический процесс получения термоупроченной стали Ст3Пс на Западно-Сибирском металлургическом комбинате осуществляется путем прерванной закалки проката движущимся потоком воды непосредственно за последней чистовой клетью стана с 1000-1050° до 640-680° с последующим самоотпуском.23 На САС полученные пластической деформацией горячие заготовки также могут быть упрочнены методом прерванной закалки водой.

Конструкционная легированная сталь используется прежде всего для изготовления ответственных высокопрочных деталей - шестерен, валов, шатунов и т.д. В основном легируется хромом и никелем. В бывшем СССР на долю хромистой и хромоникелевой стали приходилось 68% всей сортовой конструкционной легированной стали (без подшипниковой и рессорно-пружинной), в т.ч. 30% марки 15Х-50Х, содержащих 1,5-5% хрома.24 В среднем по машиностроению и металлообработке в СССР расход ее составлял ок. 100 кг/т потребленных черных металлов,25 в Японии - ок. 60 кг/т.26 В станкостроении уровень ее потребления несколько ниже. Например, в карусельном станке модели 1512 доля деталей из конструкционной легированной стали (без подшипников) - 16 кг/т веса станка (в т.ч. 64% - из марки 40Х, 36% - из марки 25ХГТ),27 а в 6-шпиндельном токарном полуавтомате - 26 кг/т веса станка (в т.ч. 88% - из марки 40Х; 8,5% - из марки 20Х, остальные из марки 25ХГТ).28 Поэтому для САС потребность в такой стали может быть оценена примерно на уровне 30 кг/т оборудования. Как показывает анализ литературы, основной заменитель этой стали - поверхностно закаленные углеродистые стали и прежде всего малоуглеродистые стали с пониженной прокаливаемостью типа марок ОЭМК-20ПВ, 20СП, 60ПП, 55ПП, 50ППУ6 и др. При поверхностной закалке образуется износостойкий твердый поверхностный слой (твердостью 63-58 HRC) с сохранением вязкой сердцевины детали (твердостью 30-42 HRC). Для обеспечения пониженной прокаливаемости сердцевины сталь должна иметь минимальное содержание марганца, хрома, никеля, меди. Наилучшие механические свойства показывают углеродистая сталь с регулируемой прокаливаемостью (для конических колес среднего модуля величина прокаливаемости должна равняться З45 по ГОСТу 5657-51). Многолетние исследования и эксплуатация в производственных условиях подтверждают успешность замены деталей из легированных сталей поверхностно закаленными деталями из углеродистой стали. Например, у автомобиля ГАЗ-51 и ГАЗ-53 тяжелонагруженные ведомые шестерни заднего моста изготовлялись из стали марки У6 (состава: 0,52-0.58% C, 0,19% Mn, 0,11% Cr, 0,23% Si, 0,02% P, 0,025 S) и марки 55ПП (состав: 0,6% C, 0,18% Mn, 0,21% Si, 0,016% p, 0,03% S, 0,04% Cr, 0,04% Ti). Шестерни из этих марок стали с глубиной закаленного слоя зубьев - 8-1,6 мм и твердостью 54-30 HRC показали большую работоспособность, чем из легированной стали 20ХНМ, содержащей до 2% хрома, никеля, молибдена.29 Шестерни из стали 60ПП успешно заменяют в коробке передач автомобиля ЗИЛ шестерни из стали 25ХГМ и т.д.30 Такие же высокие параметры имеют детали из стали марки 50ППЛ, содержащей 0,46-0,58%С; 0,15-0,18% Si; 0,05-0,07% Mn; Cr £ 0,07%; Ni £ 0,08%. Последняя марка стали наиболее отвечает требованиям САС как заменитель легированных сталей, т.к. практически не содержит дефицитных легирующих элементов (нормируется только содержание марганца). Технология термоупрочнения деталей из сталей пониженной прокаливаемости обычно включает поверхностный нагрев детали токами высокой частоты, закалку в воде и отпуск при 100-200° для снятия внутренних напряжений.

Другим заменителем легированных сталей является чугун с шаровидным графитом. Испытания, проведенные на Лейпцигском предприятии «Гизак» и других, показали возможность замены шестерен и деталей типа «качение-скольжение» из легированных улучшенных сталей литыми деталями из чугуна с шаровидным графитом марки ССС-60, отожженного на перлит или кратковременно азотированного в атмосфере газа (состав чугуна: 3,2-3,4% C, 2,98-2,37% Si, 0,74-0,71% Mn,0,08% P, 0,007-0,005% S). Из него изготовлялись шестерни и диски фрикционных передач автомобилей. Замена стальных шестерен литыми чугунными также упрощает технологию изготовления шестерен. 31

Нержавеющие стали являются основными потребителями важнейших легирующих элементов (до 50% никеля и 60% хрома в мире идет на их потребление) и используются главным образом для изготовления химического, пищевого, торгового, энергетического оборудования, а также предметов ширпотреба. Средний уровень потребления их в машиностроении - 10-20 кг/т потребленных черных металлов (данные по СССР). Однако на САС потребление нержавеющей стали может быть ограничено вплоть до полного исключения благодаря использованию других коррозионно стойких материалов - пластмасс, керамики, стекла, эмали, металлопокрытий, алюминия и в исключительных случаях титана.

Высокомарганцевые стали (стали Гадфильда с Mn ³ 13%) обладают высокой износостойкостью и используются для изготовления мелющих тел и футеровки мельниц, дробилок, траков гусениц тракторов и т.д. В машиностроении средний удельный уровень их потребления не велик (в Японии, например, 1,5 кг/т потребленной стали). Однако на САС потребность в них может оказаться даже выше. Эффективным заменителем сталей Гадфильда при изготовлении мелющих тел и футеровки дробильного оборудования является белый чугун. Например, при измельчении гранита, марганцевой руды в шаровых мельницах износ шаров из белого чугуна (состава 1,85% C; 0,22% S; 0,1% Cr; 0,12% Ni; 0,08% Ti; 0,13% V) был через 300 час. работы меньше, чем из марганцовистой стали марки Г13Л и кованной малоуглеродистой стали (соотношение износа шаров из этих материалов было как 1:1,25:1,8).32 Приемлемым заменителем марганцовистых сталей на САС могут стать также закаленные детали из углеродистой стали 40 (с твердостью 217-269 Нв) и пальца к нему из поверхностно закаленной стали 45 (с твердостью 58-60 R) показали одинаковую степень износа проушин траков из закаленной стали 40 и стали Гадфильда при износе пальца в 2 раза больше, чем проушин (потерю в весе определили соответственно в 30 г, 30 г и 60 г).33

Подшипниковая сталь расходуется в среднем по машиностроению в расчете на 1 т потребленных черных металлов на уровне 14 кг (СССР) - 18 кг (Япония). Причем 99% подшипниковой стали в СССР приходилось на марки ШХ15 и ШХ15сГ, содержащих 1,5% хрома. Основной путь замены для нее так же, как и для конструкционных легированных сталей - поверхностно закаленные углеродистые и экономнолегированные стали. Например, на САС может быть применена высокоуглеродистая экономнолегированная сталь регламентированной прокаливаемости марки ШХ4РП, разработанная в 70-е годы для замены основных подшипниковых сталей. Химический состав этой стали: 0,95-1,05% C; 0,15-0,3% Mn; 0,15-0,3% Si; 0,35-0,5% Cr; £ 0,3% Ni; £ 0,25% Cu; £ 0,027% P; £ 0,02% S. Испытания показали, что она по всем параметрам превосходит стали ШХ15СГ, ШХ15сГШ, 18ХГТ, 20Х2Н4А. Например, прочность образца из стали ШХ4РП, sи - 350 кгс/мм² против 270 кгс/мм² из стали ШХ15СГ, ударная вязкость при статическом изгибе а@7кгс· м/см² против 2 кгс· м/см², твердость поверхности - 800 НV против» 720-730 НV, выше также и усталочная прочность, чем у образцов стали ШХ15СГ. В отличии от поверхностной закалки малоуглеродистых сталей пониженной прокаливаемости, высокоуглеродистую сталь ШХ4РП закаливают сквозным индукционным нагревом детали (с питанием от машинного генератора частотой 2650 Гц) до 850° с изотермической выдержкой 45 сек. с последующим интенсивным охлаждением всей ее поверхности быстро движущимся потоком воды. Затем проводили отпуск при 180° в течение 4 час. В результате получали закаленную поверхность высокой твердости (61-63 HRC) и упрочненную сердцевину (структура сорбита или троостита закалки).34 На САС в качестве материала для подшипников может быть использована эта сталь. Желательно также исследовать возможность применения поверхностно закаленных углеродистых сталей. Частично потребность в подшипниковой стали может быть сокращена и более широким использованием подшипников скольжения, которые к тому же и более технологичны в изготовлении, а также развитием прямого безредукторного электропривода.

Жаропрочные стали (содержат много хрома,никеля) используются для изготовления деталей паровых котлов высокого давления, паровых турбин, печей и т.д. В Японии в год потребляется внутри страны 40 тыс. т жаропрочной стали (в основном средне- и высокохромистая ферритная), что составляет 1,5 кг/т потребленной в машиностроении стали.35 На САС потребность в них может возникнуть для производства термического и энергетического оборудования. Уровень потребности в них на САС может сильно колебаться от очень высокого до почти нулевого, в зависимости от выбора энергетической установки (Высокий - в случае термодинамических СЭС и использовании биотоплива, низкий - в случае фотоэлектрических СЭС, ветровых, волновых ЭУ, ОТЭС), а также степени использования заменяющих материалов (керамики, водоохлаждаемых стальных деталей и т.д.) и технологических решений (например, замена паровых котлов высокого давления на низкого давления, изготавливаемых из обычных углеродистых сталей и т.д.). Мы исходим из предположения, что для большинства вариантов САС расход жаропрочной стали может быть очень незначительным или полностью исключен.

Инструментальные стали используются прежде всего для штампов (в СССР - 62%, в т.ч. для холодной деформации - 25% и для горячей деформации - 37%), а остальное - для режущего и измерительного инструмента. В СССР расход такой стали был 3,2 кг/т потребленных в машиностроении черных металлов.36 Основными применяемыми марками являются Х12М и Х12Ф (для холодного деформирования), 5ХНМ и 5ХНВ (для горячего прессования). В условиях САС из-за индивидуального и мелкосерийного характера производства штамповка будет находить ограниченное применение и во многих случаях штампы могут быть изготовлены из углеродистых сталей, т.к. низкая серийность штамповок не потребует их высокой долговечности.

В случае необходимости высокостойкие штампы для холодной штамповки могут быть изготовлены из графитизирующейся стали, например, марок ЭИ 293 (содержит 0,2-0,4% свободного графита) и ЭИ 366 (содержит 0,1-0,2% свободного графита). Вытяжные штампы из стали ЭИ 293 выдерживали штамповку 6-80 тыс. деталей (до появления первых рисок и царапин) против 100-600 деталей для штампов углеродистой стали У10А. Просечные и пробивные штампы из стали ЭИ 366 выдерживали до первого затупления до 13,6-34,0 тыс. штамповок изделий толщиной 7-2 мм против 8-10 тыс. штамповок для штампов из хромо-молибденовой стали ЭХ12М. Эти стали эффективно себя проявили также в качестве материала для фильер волочильных станков (стойкость фильеры из стали ЭИ 366 в 3 раза больше, чем из стали У10). Технология получения штампов и фильер из стали ЭИ 293 и ЭИ 366 следующая. Графитизируемая сталь твердостью 321-341 НВ подвергается ковке при температуре 1050-1100° с минимальным временем нагрева в печи (чтобы не вызвать излишнюю графитизацию и обезуглероживание). Затем штамп из стали ЭИ 293 графитизируется нагревом до 900° и выдержкой при ней 5 час., охлаждением с печью до 750°, выдержка при ней 5 час, затем охлаждение с печью до 700°, выдержка при ней 5 час и дальнейшее охлаждение на воздухе. После графитизации в поковках содержится 1,0-1,2% графита, и сталь может легко обрабатываться резанием. Окончательную термообработку рабочих частей штампов ведут путем нагрева до 840-860° с выдержкой при ней 2 часа, закалка в холодной воде до 200° с немедленным переносом в масло до полного охлаждения, и сразу же после закалки отпуск при 150° с выдержкой при ней 4 часа. Твердость поверхности после отпуска 50 Rс. Сталь улучшенного качества ЭИ 366 (меньше обезуглероживается) графитизируется нагревом до 900° с выдержкой при ней 1 час, охлаждением в масле, затем отжигом при 690° (8-10 час) и охлаждением на воздухе. Далее заготовки штампов проходят механическую обработку, нагреваются до 830-850°, закаливаются в масле и отпускаются при 150-180° в течение 4 час. После этого штампы содержат 0,7-1,0% графита и имеют твердость 56 Rс. Сталь имеет мартенситную структуру с включениями графита, который предотвращает налипы на штампы.37

Быстрорежущие стали расходуются в среднем по машиностроению в количестве 1,4 кг/т потребленных черных металлов (данные по СССР). Используются они на производство металлорежущего инструмента, прежде всего сверл, зенкеров, разверток, плашек, метчиков и т.д. Эти стали содержат обычно остродефицитный вольфрам (от 2 до 18%, в среднем 6%), поэтому они нуждаются в обязательной замене. Широко применяемые в промышленности безвольфрамовые быстрорежущие стали (М6Ф1-МП, М3Ф2 и др.) содержат в значительных количествах такой же дефицитный молибден, что не решает проблемы для САС. Приемлем другой путь - максимальный перевод металлорежущих операций на использование безвольфрамовых твердых сплавов (инструментов из оксидной минералокерамики и керметов на основе карбида титана). В принципе все резцы, фрезы, крупные сверла (Æ от 5 мм и выше) могут быть оснащены режущими пластинками из таких твердых сплавов. Для замены мелких сверл и другого инструмента (плашек, метчиков и т.д.) из быстрорежущей стали на САС может быть применена углеродистая инструментальная сталь или быстрорежущая сталь из менее дефицитных металлов. При использовании инструментальных углеродистых сталей (марки У12А, У10А) скорость резания, а значит и производительность станков уменьшится по сравнению с инструментом из быстрорежущей стали: для сверл, зенкеров, цековок, зенковок, разверток, метчиков - в 2 раза, для фрез - в 1,7 раза, для плашек - в 1,4 раза. При этом сфера применения инструмента из стали У12А, У10А ограничена чугунными деталями с твердостью до 220 Нв и стальными - с твердостью до 230 Нв и sв - до 85 кг/мм².38 Из малодефицитных быстрорежущих сталей подходит для САС хромо-кремне-ванадиевая сталь ЭИ-172, состава: 0,65-0,8% C; 1,5-2,1% Si; 9-10,5% Cr; 0,85-1,2% V; 0,4% Mn. Инструмент из этой стали подвергался термообработке при следующих режимах: ковка - начало 1100-1150°, конец - 850-900°, отжиг - 800-840°, закалка - 1260-1280° в масле, отпуск - 540-560°, выдержка - 3,5-4 часа. По данным работы заводов, производительность инструментов из этой стали была такой же, как и у вольфрамовой быстрорежущей стали, содержащей 16-18% W и 4% Cr, при несколько меньшей стойкости. При сверлении стали (твердость 156-207 Нв) со скоростью 15 м/мин, сверлом диаметром 5,5 мм на глубину 20 мм стойкость составила 18 деталей (68 г снятого металла) против 25 деталей для сверла из обычной быстрорежущей стали, при сверлении чугуна (твердость 170-220 Нв) тем же сверлом на глубину 6 мм - 28 деталей (32 г снятого металла) против 30 деталей. Примерно такую же сравнительную стойкость имеют развертки, метчики, фрезы из стали ЭИ-172 (на уровне 90-70% стойкости инструмента из вольфрамовой быстрорежущей стали).39 Потребность САС в этой стали попробуем оценить по расходу основного инструмента - сверл. Если учесть, что в среднем по машиностроению из 1 т потребленного металла превращаю