Металлообработка_2015
advertisement
г. Москва, ЦВК «Экспоцентр». 16-я Международная выставка «Металлообработка-2015» 26 мая 2015 года ОАО «ВНИИИНСТРУМЕНТ» научно-исследовательский инструментальный институт www.vniiinstrument.ru Российская Федерация, 107023, Москва, Б. Семеновская ул., д.49 Тел.: (495) 366-94-11; факс: (495) 366-92-77. 5-й Международный научно-технический форум «Современные тенденции в технологиях и конструкциях металлообрабатывающего оборудования» г. Москва, ЦВК «Экспоцентр». 16-я Международная выставка «Металлообработка-2015» 26 мая 2015 года Г.В. Боровский, Генеральный директор ОАО «ВНИИИНСТРУМЕНТ» ОАО «ВНИИинструмент» Центр ультрапрецизионного станкостроения и уникальных технологий наноточной обработки. 1 Создание Всесоюзного научно-исследовательского инструментального института. (ПОСТАНОВЛЕНИЕ № ГОКО 4347с от 16 октября 1943 г. Москва, Кремль). 2 Основные направления деятельности и развития ОАО «ВНИИИНСТРУМЕНТ». проведение комплексных научно-исследовательских, опытно-конструкторских и инновационнотехнологических работ (НИОКТР=R&D&E) в области обрабатывающих технологий, автоматизированного оборудования и наукоёмкого инструмента, обеспечение их освоения и серийного выпуска российскими предприятиями станкоинструментальной промышленности; создание инновационных технологий высокоточной обработки сложных деталей из металлических и композиционных материалов, разработка и реализация «под ключ» проектов технологического перевооружения предприятий, поставка, пуско-наладка и сервисное обслуживание в течение всего жизненного цикла завершенных экологически чистых технологических систем, обеспечивающих повышение производительности до 10 и более раз, сокращение энергопотребления и производственных площадей в 2-3 раза; разработка максимально детализированных заданий на специальное высокопроизводительное оборудование для гарантированного достижения показателей инновационных технологий при минимальной себестоимости; создание комплексных отечественных инновационных решений (разработка технологических процессов и изготовление ультрапрецизионных технологических модулей с ЧПУ, сверхвысокоточного контрольноизмерительного оборудования, специального инструмента из сверхтвердых материалов, специальной технологической оснастки) для ультрапрецизионной обработки алмазным точением, фрезерованием и шлифованием особо точных ответственных деталей из труднообрабатываемых материалов с точностью формы P-V<100 нм и оптическим качеством поверхности Rа 5 нм; исследование процессов резания металлических и композиционных материалов с получением объективной информации для научно-обоснованной оптимизации параметров технологических процессов обработки деталей машин и характеристик необходимого оборудования; разработка конструкций, технологий изготовления и производство наукоёмких инструментов из наноструктурных, субмикронных и ультрадисперсных материалов, в т.ч. со специальными покрытиями, для высокопроизводительной экологически чистой обработки; стандартизация и сертификация инструмента и инструментальных материалов, метрологическая и патентная экспертиза; проведение технологического аудита предприятий, экспертиза проектов техперевооружения предприятий и предложений по закупкам оборудования, прежде всего, за счет средств госбюджета, обеспечивающих сокращение инвестиционных расходов, повышение качества проектов и результатов их реализации. 3 Основные принципы разрабатываемых проектов технологического перевооружения. Основная цель технологического перевооружения – обеспечение уровня производственнотехнологического потенциала предприятий, гарантирующего выпуск высокотехнологичных изделий новой техники, конкурентоспособных на внутреннем и внешнем рынках. В основу разрабатываемых проектов заложены следующие основные принципы: Максимальной концентрации и автоматизации операций на специальных гибких многокоординатных станкоинструментальных комплексах с ЧПУ; унификации архитектуры и конструкций оборудования, систем управления и организационных решений; создания и применения новых и комбинированных прогрессивных методов обработки; применения специального инструмента из ультрадисперсных и наноструктурных твердых сплавов и сверхтвердых материалов на всех операциях механической обработки; высокая энергоэффективность. Синергический эффект, обеспечивающий получение отдачи от реализации проектов техперевооружения, многократно превышающей вложенные средства, может быть получен только по схеме «новый продукт → новые технологии и оборудование → новое производство по выпуску этого продукта». 4 Уникальные технологии, оборудование и инструмент для ультрапрецизионной наноточной обработки. Особенности ультрапрецизионной обработки •Станок • точность - 1,0…0,1 мкм; • разрешающая способность - 0,01…0,0001 мкм; • уровень относительных колебаний - не более 0,01 мкм; • опоры основных узлов: аэростатические, гидростатические; • материал базовых узлов: натуральный гранит, керамика, полимербетон, инварный чугун; • встроенные синхронные линейные и круговые маловиброактивные двигатели; • система виброизоляции с частотой менее 5 герц; • специальные приводы, система ЧПУ и датчики обратной связи. •Компоненты и технологии • специальная СОТС, как правило в распыленном виде; • вакуумное крепление заготовки; • встроенные средства контроля инструмента и детали; • термостабилизированное, особо чистое помещение; • специальные, развязанные фундаменты; • резание в квазипластичном режиме в наноразмерном диапазоне толщины срезаемого слоя; • инструмент с остротой режущей кромки 0,1…0,01 мкм; • однородный, мелкозернистый (менее 1мкм) и чистый материал заготовки. •Особенности обработанных деталей • субмикронная точность; • зеркальное качество поверхности; • миниатюрные размеры по трем координатам (менее 1 мм); • возможность изготовление микроструктуры на больших деталях. 5 • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • Области использования ультрапрецизионных технологий и оборудования Точная механика • Измерительная техника Аэростатические • Спектрометрические подшипники решетки Корпуса и зажимные • Испытательные элементы наконечники Информационная техника • Линзы Френеля Оптика для сканеров • Концентраторы для гелеоВидеоголовки энергетики Платы памяти • Приборы дорожного Предметы потребления регулирования Ювелирная обработка • Осветительная техника Корпуса часов и часовая • Оборонная техника механика • Инфракрасные линзы и зеркала Лазерная техника Резонаторные зеркала ▪ лучеформирующая оптика Микролинзы Новые области использования ультрапрецизионных технологий и оборудования Структурированные • Интегрированная поверхности свободной микрооптика формы • Коммуникационная техника • Информационная техника Микроопоры • Медицинская техника Микроинструменты и • Минимально-инвазивная пресс-формы хирургия Штампы • Эндоскопия Литье под давлением • Искусственные хрусталики Микромеханика и контактные линзы Приводная техника • Микроструктурные Управляющая техника реакторы Обработка труднообра• Химическая индустрия батываемых материалов • Зеленые технологии Стекло, керамика, сталь • Микроохладители Корпуса моноблочных • Высокомощная техника резонаторов и стандартов частоты Оборудование, созданное в ОАО «ВНИИИНСТРУМЕНТ», для ультрапрецизионной наноточной обработки. Ультрапрецизионный модуль для обработки асферических поверхностей «АСФЕРИКА-Ф3» 6 Контроль обработанной поверхности встроенным бесконтактным датчиком OS 500 Реализация ультрапрецизионной обработки в ОАО «ВНИИИНСТРУМЕНТ». 1. Обработка матрицы линзы Френеля для изготовления концентраторов солнечного света в гелеоэнергетике (шаг канавок 300 мкм, Rz<0.05 мкм) 4. Ультрапрецизионная контрольная оправка для юстировки особо точного оборудования (нецилиндричность <100 нм на 100 мм) 7 2. 3. Барабаны для полиграфической промышленности, отражатели для светотехники (Rz<0.05 мкм, P-V<2 мкм на 100 мм, нецилиндричность 1мкм на L300 мм) Обработка асферического зеркала (Rz <0.05 мкм, P-V <1 мкм на Ø 100 мм) 5. Фрезерование линейной матрицы Френеля для получения эффекта объемного телевидения (цилиндрические канавки глубиной 10 мкм, шаг 1 мм, Rz<0.05 мкм ) 6. Фрезерование деталей холодильника для фотографирования поверхности земли из космоса (Rz<0.05 мкм, материал - Aмг-6) Разработка и освоение производства гаммы ультрапрецизионного оборудования в ОАО «ВНИИИНСТРУМЕНТ» на период до 2020 года. ВАЖНО! Все ключевые комплектующие уникального оборудования (шпиндели, приводы, датчики перемещений, система ЧПУ) – российские разработки и изготовление. Ультрапрецизионные многокоординатные мастер-станки для сверхточной финишной обработки плоскостей кареток и сферических поверхностей шпиндельных узлов создаваемых ультрапрецизионных станков; Ультрапрецизионный обрабатывающий центр для алмазной лезвийной крупногабаритных (до 1000х300 мм) плоских деталей из цветных металлов и сплавов; обработки Ультрапрецизионный фрезерный обрабатывающий центр для алмазного микрофрезерования плоских крупногабаритных кристаллов типа KDP (дигидрофосфат калия); Ультрапрецизионный токарно-фрезерно-шлифовальный обрабатывающий центр для наноразмерной обработки алмазным лезвийным монокристаллическим и шлифовальным инструментом оптических материалов в режиме квазипластичного резания; Ультрапрецизионный шлифовально-заточной обрабатывающий центр для формирования режущей кромки и заточки радиусных ультрапрецизионных резцов из сверхтвердых материалов; Ультрапрецизионный обрабатывающий центр для обработки деталей типа тел вращения сложной формы методом алмазного точения с наложением ультразвука; Ультрапрецезионный токарный обрабатывающий центр осесимметричных деталей металлооптики диаметром до 300 мм; для изготовления асферических Ультрапрецизионный токарно-центровой обрабатывающий центр для обработки деталей типа тел вращения длиной до 1000 мм с возможностью на несения на поверхность микроструктур. 8 Пилотный образец ультрапрецизионного фрезерного модуля с ЧПУ для обработки крупногабаритных деталей металлооптики длиной до 1000 мм мод. «Фреза – 1000». • • • • • • • • • • • 9 Основные технические характеристики модуля мод. «Фреза – 1000»: наибольшая длина обрабатываемого изделия – 1000 мм; наибольшая ширина обрабатываемого изделия – 350 мм; диапазон частот вращения фрезерной головки – 50…3000 об/мин; диапазон скоростей перемещения по линейным осям – ось Х 0,1…1000 мм/мин, ось Z 0,01…100 мм/мин; дискретность задания перемещений по линейным осям – ось Х 10 нанометров, ось Z 1,0 нанометр. Отличительные особенности модуля мод. «Фреза – 1000»: станина из натурального гранита (изготовитель ОАО «Ставропольский инструментальный завод»); основные исполнительные узлы шпиндель и суппорта осей X и Z на аэростатических опорах с пористым дросселированием; комплектный маловиброактивный синхронный электропривод главного движения встроенного исполнения; комплектный линейный синхронный электропривод подач с голографическими датчиками обратной связи по положению с разрешающей способностью 1 нанометр; система ЧПУ «Микрос-12» с архитектурой промышленного компьютера и полностью оригинальным программным обеспечением; самоустанавливающиеся виброизолирующие пневмоопоры с собственной частотой не более 3 Гц. Создание инновационной технологии, разработка и изготовление технологического комплекса с ЧПУ, состоящего из двух модулей: для прецизионной и ультрапрецизионной обработки зеркал и корпусов моноблочных резонаторов лазерных гироскопов. Новая технология позволит в разы снизить трудоемкость обработки особоответственных оптических деталей, исключить использование агрессивных технологических сред, заменить высококвалифицированный ручной труд на операциях травления и полирования автоматизированной обработкой шлифованием; Новая технология позволит на порядок увеличить объем выпуска изделий в течение 3-5 лет (в н.в. в США уже производится около 17 000 кольцевых лазерных гироскопов, а в РФ – 1 000 шт.) Новая технология шлифования сверхтвердых и хрупких оптических материалов основана на использовании эффекта пластического алмазного шлифования в дополнении с непрерывной электрохимической правкой алмазного круга «ECD – шлифование» (Electro Chemical In-Process Dressing). 10 Основные этапы ECD – шлифования. Зерна алмаза Процесс ECD – шлифования основывается на электрохимическом процессе растворения металла Рис. 1 – Новый связки круга. Протекающий ток между шлифовальным шлифовальный круг. кругом (анод) и угольным электродом (катод) освобождает ионы металла и преобразует их в оксиды и гидроксиды. На рис.1 изображен не заправленный круг на Рис. 2. – Стандартная правка металлической связке с зернами алмаза или (вскрытие алмазных зерен) кубического нитрида бора. Металлическая связка кругом SiC. 3 - Ионы t = 15 - 25% от d3 Предварительная ECD – правка Рис. 3. – Готовый к работе алмазный круг после ECD – правки. - Ионы Слой оксидов и гидрооксидов Управляемый ECD – процесс правки Алмазное зерно в связке 11 Выпавшее алмазное зерно (впадина) t = 100 – 120% от d3 Рис. 4. – Регулируемый ECD – процесс выпадания изношенных (стершихся) алмазных зерен и обновления режущих кромок новых выступающих зерен. На рис.2 происходит обычная правка кругом из зеленого карбида кремния. Средняя величина выступания зерен алмаза составляет 15…25% от среднего диаметра зерен. На рис.3 показан круг, который прошел подготовительную правку. Он находился в контакте 6…8 минут, плотность тока составила 3 ампера на см2. Среднее выступание зерен составляет 100…120% от среднего диаметра зерен круга. С данными показателями начинается процесс ECD – шлифования детали. На рис.4 представлен процесс выкрашивания алмазных зерен в ходе обработки. Процесс правки протекает одновременно с процессом обработки под воздействием тока плотностью 0,1…2 ампера на см2. Параметры тока являются функцией отношения величины съема материала и износа шлифовального круга. Данный метод обеспечивает высокие параметры качества шлифования в течение длительного периода времени. Общий вид установки для обработки хрупких материалов с использованием метода непрерывной электролитической ECD – правки шлифовального круга. 12 Лабораторный стенд для обработки оптических деталей по методу ECD – шлифования. Создаваемый технологический комплекс с ЧПУ будет состоять из двух модулей: • Прецизионный модуль с ЧПУ для предварительной обработки оптических деталей, обеспечивающий шероховатость поверхности не более 80 нанометров и погрешность формы не более 1 мкм; • Ультрапрецизионный модуль с ЧПУ для финишной обработки, обеспечивающий шероховатость поверхности не более 10 Ангстрем и погрешность формы не более 100 нанометров. Установка фильтрации электролита 13 Бабка изделия Электрод Алмазный шлифовальный круг Бабка шлифовального круга Пример обработки детали 16 х 16 х 2 мм из кристаллического кварца. Шероховатость поверхности Ra 2 нм. Точность формы 0,04 мкм на длине 10 мм. 14
