В журнале «ТехСовет» (июнь, 2016г.) опубликована статья «Криогенная технология. Новые сферы применения в машиностроении».
КРИОГЕННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ. НОВЫЕ СФЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ В МАШИНОСТРОЕНИИ.
Выпуск инновационной продукции сопряжен с подготовкой производственных мощностей машиностроительного предприятия и техническим перевооружением производства. Техническое перевооружение производства осуществляют, в том числе путем замены технологических процессов и дополнением парка технологического оборудования новыми, более прогрессивными технологическими комплексами.
Дополнение парка комплексом высокопроизводительного оборудования для проведения криогенной (низкотемпературной) обработки металлопродукции позволяет предприятию получить конкурентные преимущества на рынке, выпускать продукцию с новыми потребительскими свойствами и стабильного качества, повысить производительность целого ряда технологических операций металлообработки, снизить издержки на технологический инструмент, проводить низкотемпературные испытания материалов и изделий.
Оборудование, входящее в комплекс, может быть использовано для охлаждения заготовок, деталей и изделий в целом, поддержания их низкой (криогенной) температуры и постепенного нагрева до исходной (комнатной) температуры. Охлаждение в машиностроении используется локально для направленного улучшения отдельных свойств материалов, для стабилизации формы и размеров стальных и чугунных деталей, для восстановления размеров стальных изношенных деталей, для обеспечения неподвижных посадок при сборке, для механической обработки резанием и шлифованием, для снятия облоя и заусенцев с резиновых деталей.
Применение охлаждения резиновых деталей позволяет значительно повысить твердость резины и применить технологические методы удаления облоя и заусенцев, которые используют для металлических деталей. Метод снятия облоя и заусенцев с охлажденных резиновых деталей пригоден для всех марок резины. Морозостойкие резины, полученные на основе натурального каучука, необходимо охлаждать до криогенных температур.
При обработке на металлорежущих станках можно охлаждать как обрабатываемое изделие, так и режущий инструмент. Существенной особенностью процесса резания металлов при низких температурах охлаждения является частичный переход обрабатываемого металла из вязкого в хрупкое состояние. Это способствует интенсификации процесса резания благодаря снижению работы пластической деформации и облегчения процесса стружкообразования, особенно при обработке труднообрабатываемых и вязких материалов. При использовании охлаждения значительно повышаются устойчивость и режущие способности инструмента. Как показала практика, в некоторых случаях при обработке охлажденных углеродистых сталей в результате повышения производительности и износостойкости режущего инструмента технико-экономическая эффективность процесса может быть увеличена до 200%. Хороших результатов при использовании глубокого охлаждения следует ожидать при таких видах механической обработки, как развертывание, протягивание и шлифование. Применение глубокого охлаждения позволяет повысить скорость резания и улучшить чистоту обработанной поверхности.
Применение охлаждения при сборке изделий создает условия для автоматизации соединения деталей в условиях массового и крупносерийного производства.
Прочность посадок, образованных с использованием охлаждения, в 2–2,5 раза выше прочности соединения, собранного под прессом, и в среднем на 10–15% превышает прочность соединения, собранного с использованием нагрева. Несущая способность соединения, образованного с использованием охлаждения при наличии защитных гальванических покрытий на поверхностях деталей, увеличивается в 2– 4 раза в зависимости от вида покрытия. Наличие гальванического покрытия на контактной поверхности деталей способствует повышению усталостной прочности неподвижных соединений. Поэтому неподвижные посадки в ответственных сильно нагруженных механизмах, как при статическом, так и при переменном характере нагружения, работающих в условиях агрессивных сред, следует выполнять с помощью охлаждения.
Собираемые изделия, подвергнутые охлаждению, приобретают ряд необратимых свойств, которые не исчезают при отогреве. Необратимые изменения сопрягаемых деталей приводят к улучшению качественных характеристик стальных изделий.
Восстановление изношенных в процессе эксплуатации линейных размеров (диаметра, длины) гладких калибров, концевых мер длины, установочных мер к микрометрам, разверток, протяжек и других деталей имеет экономическую целесообразность. Восстановление размеров инструмента с помощью криогенного воздействия является наиболее эффективным и доступным методом для современного производства. Физическая сущность этого процесса заключается в увеличении размеров стальных закаленных деталей в процессе охлаждения до температуры конца мартенситного превращения.
Глубокое охлаждение металлических деталей приводит к стабилизации их размеров. Данное явление нашло широкое применение для стальных закаленных деталей, которые имеют точные размеры и у которых постоянство точных размеров должно быть обеспечено в течение длительного срока хранения и эксплуатации.
Практика показывает, что при криогенной обработке деталей размеры стабилизируются и в тех случаях, когда в материале не происходят фазовые превращения и деформацию деталей при вылеживании вызывают главным образом остаточные напряжения. Это подтверждается примером низкотемпературной обработки отливок из алюминиевых и магниевых сплавов (корпусные детали точных приборов). После штатной тепловой обработки и дополнительного охлаждения таких деталей до минус 800С их форма и размеры стабилизируются.
В производственной практике известно положительное влияние естественного старения чугунных отливок, предназначенных для изготовления корпусных деталей точных станков, разметочных плит. Старение происходит под воздействием сезонных колебаний температуры (включая зимние морозы).
Для точных деталей общего машиностроения рекомендуется проводить обработку по схеме комплексной термической обработки в сочетании с криогенной обработкой. Для деталей повышенной точности (измерительные инструменты, детали точных приборов и машин) рекомендуется проводить термическую обработку в сочетании с криогенным воздействием и циклическим отпуском. Для деталей особо высокой точности (измерительные эталонные меры, детали высокочувствительных приборов), для которых требуется обеспечение постоянства конфигурации и размеров, после закалки рекомендуется проводить многократную циклическую криогенную обработку и отпуск.
Упрочнение металлообрабатывающего инструмента является наиболее экономически оправданным применение глубокого охлаждения до криогенных температур. Основными целями криогенной обработки режущего и деформирующего инструмента являются повышение производительности и стойкости при эксплуатации.
Экспериментально установлено повышение производительности сверления упрочненными криогенной обработкой сверлами из быстрорежущей стали на 23%. Повышение эксплуатационной стойкости металлообрабатывающего инструмента приведено в таблице 1.
Криогенное упрочнение металлообрабатывающего инструмента позволяет существенно снизить затраты на инструмент, повысить производительность труда и добиться снижения себестоимости продукции.
Направленное улучшение эксплуатационных свойств материалов является важнейшей задачей, обуславливающей инновационные процессы в машиностроении и приборостроении. В связи с этим особую актуальность приобретает изучение криогенного воздействия на свойства стали и чугуна.
Таблица 1 – Повышение стойкости инструмента в результате криогенного упрочнения
| № п/п | Наименование инструмента | Материал | Повышение стойкости, % |
| 1 | Валок шаропрокатный | 4Х5МФС | 200 |
| 2 | Пуансон и матрица | Х12МФ | 150 |
| 3 | Фреза модульная | Р6М5 | 115 |
| 4 | Нож дисковый | 50Х14МФ | 100 |
| 5 | Куттерный нож | 40Х13 | 100 |
| 6 | Диск пильный | ВК8 | 65 |
| 7 | Полотно ленточнопильное |
Х3000 (аналог 10Р2М10К8)
| 52 |
| 8 | Ролик | 3Х3М3Ф | 43 |
| 9 | Валки ТГ15х15 ТЭСА 10-38 | Х12ВМФ | 33 |
| 10 | Валки ТГ15х15 ТЭСА 10-38 | Х12МФ | 25 |
| 11 | Метчик | М35 (USA) | 30 |
Исследования абразивной износостойкости четырех марок серого чугуна показали средний прирост износостойкости серого чугуна в результате криогенной обработки на 55% при испытаниях в условиях мелкого абразивного зерна и на 33% при изнашивании крупными зернами абразива.
Результаты влияния криогенной обработки на эксплуатационные характеристики различных по назначению изделий приведены в таблице 2.
Таблица 2 – Повышение ресурса изделий в результате криогенного воздействия
| № п/п | Наименование изделия | Материал | Повышение ресурса, % |
| 1 | Пружина | 65 | 225 |
| 2 | Валок дробилки | 40Х | 200 |
| 3 | Тормозной диск | Серый чугун | 71 |
| 4 | Цанга зажимная | 9ХС | 70 |
| 5 | Зубья ковша экскаватора | 110Г13Л | 35 |
| 6 | Шпилька (ресурсный крепеж) | 30ХГСА | 25 |
В результате криогенной обработки изделия приобретают новые потребительские свойства и стабильное качество, и получить производителю такой продукции конкурентные преимущества на рынке.
Комплекс оборудования для проведения криогенной обработки металлопродукции включает: энергоэффективную криогенную камеру, мобильный или стационарный газификатор, соединенные гибким или жестким трубопроводом.
Криогенная камера с вертикальной загрузкой наиболее эффективно использует производственное пространство и представляет собой экономичное решение для небольших производственных объемов. Используя жидкий азот в качестве хладагента, камера пригодна для выполнения операций обеспечения неподвижных посадок, механической обработки деталей при низких температурах, восстановления и стабилизации размеров стальных деталей, криогенной обработки. Загрузочное окно камеры расположено сверху, что позволяет использовать цеховые механизмы для загрузки и выгрузки обрабатываемых деталей. На рисунке представлена энергоэффективная криогенная камера модели КП-0,2, позволяющая обрабатывать до 200 кг металлопродукции одновременно.
Специалисты нашего предприятия разработают и изготовят энергоэффективное оборудование для проведения криогенной обработки по вашим запросам.
Внедрение технологии криогенной обработки позволит не только повысить качество производимой продукции и сократить расходы на закупку и замену комплектующих в части обработки инструментов, деталей и механизмов, но и повысить конкурентоспособность реализуемой продукции.
Директор по науке и развитию
ООО «НПЦ «КриоТехРесурс»
Кокорин Николай Анатольевич