Анализ путей снижения затрат на инструмент в машиностроительном производстве

В случае с оценкой эффекта проектов сокращения затрат (равно как и других направлений оптимизации прибыли) абсолютно справедлива мысль, озвученная в столь популярном сегодня "Алхимике" Пауло Коэльо: "Нет надобности понимать всю пустыню - одной песчинки достаточно, чтобы увидеть все чудеса творения". Действительно, определение эффекта любого проекта базируется на одном и том же подходе, не зависящем от отрасли.

С точки зрения специфики описания доходов и  затрат можно выделить три основных типа проектов:

1. Сокращение затрат (в том числе в постановке вопроса "производить у себя или закупать на стороне", "оценить целесообразность аутсорсинга").
2. Расширение производства (в том числе выпуск нового вида продукции, расширение производственных мощностей с целью наращивания объемов реализации; вложения с целью роста объемов и (или) цен реализации и.т.п.)
3. Сокращение затрат в совокупности с реализацией ресурса на сторону (в частности, организация производства продукта (услуги) собственными силами с потреблением у себя и реализацией этого продукта на сторону).

Проанализировав суть любого проекта (например, внедрение  ИСУП, расширение сбытовой сети, вложения в торговую марку, строительство собственного НПЗ нефтедобывающей компанией), можно обнаружить, что проект относится к одному из перечисленных трех типов (внедрение ИСУП - сокращение затрат; расширение сбытовой сети и вложения в торговую марку - расширение производства; строительство собственного НПЗ - потребление нефтепродуктов у себя с продажей их на сторону).

Сокращение  затрат в совокупности с реализацией  ресурса на сторону (данный тип проекта  предполагает отказ от приобретения ресурса на стороне и организациею его производства у себя; при этом помимо потребления ресурса компанией возникает возможность продажи части производимого ресурса сторонним предприятиям).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Перспективные технологии для изготовления металлорежущего инструмента

Какие же технологии восстановления инструмента существуют сегодня и какие физические принципы лежат в основе этих технологий? Мы приведем только небольшую часть из всего спектра наработанных человечеством за его индустриальную историю технологий.

3.1 Электрохимия

Институт химии  твердого тела УрО РАН (г. Екатеринбург) разработал в 2003-2004 гг. новую технологию электрохимического восстановления металлорежущего инструмента (эжекторных сверл). Сущность способа состоит в высокоточном электрохимическом формообразовании посадочных мест под твердосплавные режущие пластинки эжекторных сверл после наплавки упрочняющего сплава на изношенные поверхности. Съем наплавленного сплава происходит с необходимой точностью благодаря импульсному наложению анодного потенциала, электрочастотно синхронизированному с механическими колебаниями катода-инструмента, направленными под определенным углом к обрабатываемым поверхностям. Испытания опытной партии восстановленных эжекторных сверл показали увеличение стойкости сверлильных головок в 1,5 раза, а фактического срока службы в 2,5 раза.

3.2 Дуговая наплавка

Тверским НТЦ  «Резец» разработаны высокоэффективные  ресурсосберегающие технологии изготовления металлорежущего инструмента (резцы, метчики, зенкеры, развертки и др.) с применением дуговой наплавки рабочей части в защитно-легирующей среде азота (в защитной среде аргона). Порошковая проволока для наплавки позволяет получать наплавленный металл, близкий по химическому составу к традиционным маркам быстрорежущих сталей типа Р6М5,Р6М5К5, Р18, Р2М8. Способы наплавки металлорежущего инструмента обеспечивают получение наплавленного металла с более высоким содержанием легирующих элементов в твердом растворе, чем при закалке.

3.3 Электроискровое легирование

Одним из методов  формирования функциональных покрытий на металлических поверхностях является электроискровое легирование (ЭИЛ), разработанное российскими учеными Б. Р. Лазаренко и Н. И. Лазаренко. Метод ЭИЛ основан на действии низковольтных электрических разрядов в газовой среде, при котором осуществляется эрозия материала анода, его перенос, диффузия, образование на катоде измененного поверхностного слоя (ИПС). Значительное улучшение эксплуатационных свойств деталей обеспечивается правильным выбором состава, структуры электродных материалов, а также параметров технологического процесса. Из недостатков метода следует отметить очень индивидуальный подход к выбору газовой среды, параметров искрового разряда для каждого конкретного сплава.

3.4 Плазменное напыление

Плазменное  напыление является одним из наиболее интересных и эффективных способов нанесения защитных и упрочняющих покрытий на поверхность инструмента и ответственных деталей. Это процесс, при котором наносимый материал в виде порошка или проволоки вводится в струю плазмы и нагревается в процессе движения с потоком газа до температур, превышающих температуру его плавления, разгоняется в процессе нагрева до скоростей порядка нескольких сотен м/с. Плазменное напыление обеспечивает формирование износостойкого покрытия в условиях сухого трения или со смазкой, при малых и больших давлениях и удельных нагрузках, при низких и высоких скоростях перемещения, при низких и высоких температурах. Однако, как и при наплавке, по плазменной технологии наращивается слой металла, во много раз больший, чем необходимо. Вследствие чего возникает необходимость дополнительных технологических операций: шлифования, затылования, заточки, доводки.

3.5 Термохимическая обработка

Одним из прогрессивных  способов восстановления металлообрабатывающего инструмента является специальная  химико-термическая обработка. Сущность технологии заключается в том, что низкотемпературный нагрев инструмента, поступающего на восстановление, производят в контейнере, заполненном солями аммония и натрия при температуре на 10–20°С ниже температуры отпуска. При этом размеры инструмента увеличиваются до первоначальных в пределах допуска с одновременным повышением износостойкости и стабильности размеров. Снимаются ограничения на восстановление крупногабаритных инструментов, в несколько раз сокращается время выдержки. При нагреве в солях происходит частичный возврат размеров кристаллической решетки рабочих поверхностей, насыщение углеродом и азотом с образованием мелкодисперсных карбонитридов элементов, содержащихся в быстрорежущих сталях, со значительным повышением твердости. Твердость поверхностного слоя при этом достигает HRCэ 64…66, чем и определяется повышение износостойкости.

3.6 Детонационное напыление

В СО РАН (Институт гидродинамики им. М.А.Лаврентьева  в новосибирском Академгородке) еще в 1980-е годы были разработаны  и созданы установки детонационного напыления. Детонационное напыление – это технология нанесения покрытий, в которой для разогрева и разгона порошкообразного материала используется энергия газового взрыва. Детонационные покрытия отличаются высокой плотностью и рекордной прочностью связи, достигающей прочности монолитного материала. Импульсный характер термического воздействия на обрабатываемую деталь при детонационном напылении исключает коробление, поводки, перегрев детали и нежелательные структурные изменения материала детали. Серией выстрелов наращивается требуемый слой и запыляется необходимая площадь. Однако выбрать оптимальный режим детонационного напыления очень сложно, это весьма узкая область параметров. К тому же при толщине напыленного слоя более 100 мкм покрытие становится склонным к трещинообразованию вследствие накопленных внутренних микронапряжений. Осложняет ситуацию с внедрением способа детонационного восстановления инструментов и необходимость получения многочисленных разрешений у органов государственного технического надзора, равно как и обеспечение строгих мер производственной безопасности.

3.7 Ионно-плазменная технология

Омский научно-исследовательский  институт технологии и организации  производства двигателей (Омский НИИД) разработал ионно-плазменную технологию нанесения износостойких покрытий на основе нитридов и карбидов титана, циркония и хрома на режущий инструмент. На предприятии покрываются различные виды режущего инструмента, начиная от простых твердосплавных пластин для сборных резцов и фрез и заканчивая сложнофасонными червячными фрезами и долбяками из быстрорежущей стали. Нанесение ионно-плазменных покрытий, как показали испытания, обеспечивает повышение ресурса работы и увеличение стойкости режущего инструмента при обработке труднообрабатываемых материалов в 3-5 раз.

3.8 Классика

На производстве, где используется большая номенклатура режущего инструмента, изготовленного из быстрорежущей стали и твердых  сплавов, возрастает необходимость  станка, который бы смог восстанавливать  большинство видов металлорежущего  инструмента в кратчайшие сроки. Максимально соответствует требованиям современного производства универсальный шлифовальный станок с возможностью передвижения инструмента и заготовки по нескольким координатам (например - X, Y, Z, A, C).

При оснащении  такого станка блоком числового управления и контроля появляется возможность быстро и качественно восстановить практически любой металлорежущий инструмент с высокой точностью и скоростью перезаточки. На компьютере существенно упрощается задание алгоритма обработки даже очень сложных поверхностей режущего инструмента. А введение после шлифовки функции нанесения износостойкого покрытия (плазменным либо иным способом) сделало бы такой полнофункциональный станок мечтой любого производственника.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Нанесение износостойких покрытий как один из основных методов повышения износостойкости металлорежущих инструментов.

Режущий инструмент в процессе резания воздействует на обрабатываемый материал и вызывает образование стружки и формирование новой поверхности, однако сам при  этом подвергается воздействию со стороны обрабатываемого материала и интенсивно изнашивается. Режущие инструменты работают в чрезвычайно тяжелых условиях действия громадных давлений на поверхностях контакта и высокой температуры, в условиях трения чистых, вновь образованных ювенильных поверхностей. По этим причинам интенсивность изнашивания режущих инструментов в тысячи и десятки тысяч раз превосходит интенсивность изнашивания трущихся деталей машин.

В результате изнашивания  режущее лезвие инструмента теряет свою первоначальную форму и, как следствие, режущую способность. Для восстановления режущей способности инструмента производится затачивание его рабочих поверхностей. В процессе затачивания инструмента с его рабочей части срезаются довольно большие слои дорогостоящего инструментального материала. Кроме того, на смену затупившегося инструмента затрачивается время, которое увеличивает продолжительность операции механической обработки, а следовательно и ее стоимость; срезаемый при затачивании абразивным инструментом дорогостоящий инструментальный материал переводится в шлам и безвозвратно теряется. В целом все это существенно удорожает механическую обработку и ограничивает ее эффективность. Поэтому, задача уменьшения интенсивности изнашивания режущих инструментов и увеличения срока его службы была и остается одной из главных задач металлообработки.

Использование износостойких  покрытий позволяет:

1. Увеличить  срок службы инструмента.
2. Улучшить качество обрабатываемой поверхности.
3. Эффективно использовать оборудование.
4. Снизить себестоимость изделия.

   4.1 Фрезы.

Тип инструмента, на котором наиболее эффективно используются износостойкие покрытия. При работе фреза испытывает ударные нагрузки. В связи с этим на фрезах применяются  многослойные покрытия с переменной твёрдостью во избежание сколов при возникновении ударных нагрузок.

Во многих случаях  фрезами производятся операции по обработке  сложных поверхностей на дорогостоящем  оборудовании, поэтому существенное увеличение режимов обработки (частота  вращения, подача, толщина снимаемого материала) и повышение стойкости фрезы (от 2-х до 6 раз в среднем), благодаря применению инструмента с покрытием, существенно снижает себестоимость изделия и позволяет эффективнее использовать оборудование. Кроме этого, применение покрытий позволяют улучшить качество обрабатываемой поверхности за счёт снижения налипания стружки.

  4.2  Свёрла.

Основной причиной выхода из строя сверл является износ  по передней кромке. При работе возникает  локальный разогрев лезвия сверла и, как следствие, его отпуск. В дальнейшем отпущенная часть режущей кромки легко истирается, и сверло становится непригодным для дальнейшей работы.

Нанесение износостойкого покрытия позволяет снизить силу трения стружки о кромку сверла. Следствием является снижение температуры в зоне работы режущих частей инструмента. Особенно это важно при сверлении глухих, глубоких отверстий - в местах, где затруднён отвод тепла. Применение некоторых покрытий настолько эффективно, что отпадает необходимость в использовании охлаждающей жидкости. Появляется возможность работать на более высоких оборотах с большими подачами. Это, в свою очередь, приводит к интенсификации производства.

    4.3 Метчики.

Эффективность применения покрытий в данном типе инструмента особенно проявляется  при работе на станках с нарезанием резьбы в один проход. Исчезает привычный скрип при нарезке резьбы в легированных сталях. Существенно снижается вероятность «залома» инструмента. Применение на производстве метчиков с покрытием позволяет увеличить стойкость до 9 раз. К этому типу инструмента относятся также резьбонакатные ролики.     

       Применение покрытий дают хорошие  результаты и на других типах  режущего инструмента - дисковые  фрезы, модульные фрезы, долбяки  и т.д. 

Эффект от применения инструмента с покрытием напрямую зависит от качества поверхности режущих кромок инструмента. Чем меньше радиус закругления режущей кромки и чем выше чистота рабочей поверхности инструмента, тем дольше срок службы инструмента. Поэтому необходимо производить качественную переточку инструмента на специальном заточном оборудовании.

Защита металла  от коррозии методами металлизации является одним из наиболее надежных способов предотвращения коррозии стали. С помощью  электродуговой металлизации и газопламенного напыления возможна металлизация как в цеховых условиях, так и на месте монтажа или ремонта металлоконструкций. Протекторные свойства алюминия, цинка и их сплавов обеспечивают надежную защиту от коррозии на срок более 20 лет даже в наиболее сложных условиях.

 

 

 

5. Покрытия для режущего инструмента

Использование металлорежущего инструмента с  предварительно нанесенными тонкими (1—5 мкм) износостойкими покрытиями обеспечивает ряд важных преимуществ: повышение  производительности обработки резанием на 20—200%, увеличение срока службы инструмента до 1,5—10 раз при обработке конструкционных сталей, до 4 раз — при резании корозионностойких и жаропрочных сталей, в 1,5—2,5 раза — при обработке титановых и никелевых сплавов. Кроме того, достигается снижение расхода сложнопрофильного инструмента вследствие уменьшения количества его переточек. Однако не всегда применение покрытий для режущего инструмента экономически обоснованно и приводит к ожидаемому эффекту. Для того чтобы оценить целесообразность и эффективность их использования, необходимo знаниe основных принципов применения инструмента с износостойкими покрытиями.