Качество обрабатывающих инструментов повысит плазма
Почти в любом производстве хоть что-то, да нужно резать. Для особо прочных материалов или металлов требуются ножи с уникальными свойствами. И требования к таким инструментам с каждым годом повышаются. После распада СССР произошел почти полный переход к импорту. Но наши ученые не сдаются, они делают все возможное, чтобы выйти на этом направлении на передовые рубежи. Один из таких исследователей — заведующий Проблемной научно-исследовательской лабораторией «Технология покрытий и специальных свойств поверхности» Уфимского государственного авиационного технического университета (УГАТУ), доктор технических наук Камиль РАМАЗАНОВ (на снимке в центре). Вместе со своей научной командой он исследует и разрабатывает физико-химические основы повышения стойкости режущих инструментов комплексной модификацией поверхности в низкотемпературной плазме повышенной плотности. Его тема удостоена молодежного гранта Президента РФ. «Поиск» выяснил, как улучшаются отечественные режущие инструменты.
— Камиль, почему вы решили заниматься повышением стойкости режущих инструментов? Разве они до этого не были прочными?
— Мы занимаемся упрочнением режущего инструмента для металлообработки. Инструмент «врезается» в металлическую поверхность заготовки, придавая ей необходимую форму. При этом режущая кромка испытывает колоссальные нагрузки сопротивления обрабатываемого материала.
Возьмем, к примеру, детали авиационной промышленности. Для их изготовления нужны уникальные сплавы, состоящие из ряда химических элементов таблицы Менделеева. Именно поэтому их называют труднообрабатываемыми при использовании традиционных инструментов и методов резки. Труднообрабатываемые стали обладают совокупностью уникальных физико-механических свойств, такими как коррозионная стойкость, жаропрочность и жаростойкость, высокая прочность. Наличие этих свойств приводит к резкому снижению обрабатываемости резанием. Например, скорость такого резания может быть в 20 раз ниже, чем при работе с обычными углеродистыми сталями.
Наша университетская научная школа в области плазменных технологий существует более 30 лет. В мире известны научные труды наших профессоров Виктора Мухина, Владимира Будилова, Анатолия Смыслова. Научные разработки университета в области авиационных технологий внедрены на многих предприятиях оборонно-промышленного комплекса. Постоянное развитие научной школы в соответствии с мировыми трендами позволило перейти от авиационно-космических технологий к технологиям «наземного» применения.
Советская станкоинструментальная отрасль занимала ведущие мировые позиции. Но в начале 1990-х лидерство было утрачено. Сегодня отечественные производители металлорежущего инструмента занимают менее 40% внутреннего рынка. Уровень импортозависимости станкоинструментальной промышленности критический — более 90%. Это вызвано рядом острых проблем на российском рынке: отставание технологического уровня продукции, недостаточная широта модельного ряда (узкая номенклатура, то есть инструмент изготавливается однотипный), дефицит кадровых ресурсов, недостаточное количество отраслевых центров компетенции (институты, конструкторские бюро, где ведутся разработки и исследования в области проектирования инструмента). Также мало научных исследований, необходимых для развития отечественного инструмента.
Что касается импортного инструмента, то он имеет современное инновационное покрытие. Оно увеличивает стойкость в 5-10 раз по сравнению с инструментом без покрытия. Такие крупные зарубежные производители, как Sandvik, Iscar, Nidia, Mitsubishi, уделяют огромное внимание не только совершенствованию инструментальных материалов, но и разработке новых покрытий для различных групп инструментов.
Все это стало причиной того, что коллектив ученых УГАТУ взялся за эту проблему. В течение пяти лет мы активно занимаемся разработками целого спектра новых материалов для покрытий и технологий их нанесения на поверхность инструмента, которые защищены российскими патентами.
— Как вы повышаете стойкость режущих инструментов?
— Благодаря плазме с температурой 10 тысяч градусов Цельсия мы получаем уникальные соединения химических элементов, которые невозможно получить другими способами. Например, покрытия на основе интерметаллидов (химические соединения двух и более металлов) толщиной всего пять микронов (это в десять раз тоньше человеческого волоса) позволяют обработать сверхтвердые стали и сплавы.
Суть нашего метода комплексной модификации заключается в применении одновременно двух способов упрочения инструментов. Мы используем диффузионное насыщение поверхности различными реакционными элементами: азот, углерод, кислород. А дальше производим вакуумное ионно-плазменное напыление покрытий сложного состава за один технологический цикл.
Эффективность обработки плазмой зависит от количества высокоэнергетичных частиц. Увеличить их концентрацию можно разными методами. В нашей лаборатории разработаны и запатентованы уникальные способы и устройства для повышения плотности плазмы. Их суть в том, что она повышается благодаря применению специальных экранов и наложению скрещенных электрических и магнитных полей в зоне обработки.
Мы постоянно работаем над модернизацией оборудования. Вместе с Институтом сильноточной электроники СО РАН (Томск) проводим запуск и отладку уникальных плазмогенераторов и источников питания. Также ведем тесную работу с передовыми научными центрами в области материаловедения и специальных методов обработки (ИФТТ РАН, ИСМАН, МГТУ «Станкин», ИФПМ СО РАН).
— Насколько и как можно улучшить физико-химические параметры материалов, с которыми вы работаете?
— Мы работаем с образцами тех материалов, которые идут на изготовление инструментов. Выявляем различные физико-механические характеристики, такие как микротвердость, прочность сцепления покрытия с поверхностью инструмента. Изучаем состав поверхности. После пробы технологических режимов на образцах обрабатываем опытную партию инструментов. Испытания проводим на металлообрабатывающих станках в условиях реального производства.
По их результатам оптимизируем режимы обработки и разрабатываем серийную технологию упрочнения инструмента. Казалось бы, простая схема работы, но для ее реализации требуются длительное время, огромные человеческие усилия, знания и навыки ученых, а также производственников.
В нашей команде преимущественно молодые ученые, а также студенты, магистранты, аспиранты. Планированием и распределением обязанностей занимаюсь я как руководитель лаборатории. Ответственные по направлениям — это молодые кандидаты наук, на них возложены аналитическая работа и общее руководство студентами и аспирантами, которые, в свою очередь, проводят физические эксперименты по намеченному плану.
— Какие результаты вы уже получили или только планируете получить? Насколько вам хватает средств гранта? Откуда берете остальные средства для полноценных исследований?
— У нас накоплен уникальный опыт. Мы разработали технологии упрочнения различных групп металлорежущих инструментов, изготовленных как из твердых сплавов, так и из быстрорежущих сталей. Упрочненные инструменты испытали на производственных площадках предприятий.
Средства гранта — это лишь начальная ступень, позволяющая приступить к решению сложной, значимой для всей страны проблемы. Их достаточно для проведения первых серий исследований, результаты которых смогут заинтересовать индустриальных партнеров. Мы надеемся в будущем выйти на более крупные федеральные программы. Сейчас ведем хоздоговорную деятельность с предприятиями реального сектора экономики, постоянно внедряем новые разработки в производство.
— Есть ли у вас какие-то пожелания и вопросы, например, к правительству? Насколько легко и комфортно заниматься наукой в России? Считаете ли вы, что за рубежом условия лучше?
— Наука в регионах не стоит на месте и развивается достаточно интенсивно, однако ей нужна более мощная федеральная поддержка. Какие пожелания правительству? Хотелось бы, чтобы для регионов создавались целевые квоты в рамках крупных конкурсов и грантов, где конкурировать между собой могли бы только региональные научные школы и ученые. И под эти конкурсы выделялось бы целевое финансирование из федерального бюджета. Молодым исследователям из регионов очень сложно конкурировать с высокорейтинговыми учеными из Москвы и Санкт-Петербурга, которые работают в ведущих научных школах страны. Речь не идет о региональных конкурсах и грантах типа «РФФИ Поволжье» и других подобных, сумма которых обычно не превышает одного миллиона рублей. Речь — о более масштабных и крупных проектах.
Занятия наукой в России будут комфортными при наличии двух важных условий: государственной поддержки и софинансирования со стороны предприятий реального сектора экономики.
Конечно, объемы финансирования науки в Евросоюзе и США существенно выше, чем в нашей стране. Хотелось бы, чтобы у нас было хотя бы не хуже.
— Как вы представляете свое дальнейшее научное будущее?
— В скором времени планируем организовать уникальное высокотехнологичное производство упрочнения металлорежущего инструмента широкой номенклатуры, основанное на реализации наукоемкой, конкурентоспособной технологии модификации поверхности в низкотемпературной плазме повышенной плотности. Это позволит усилить связи между УГАТУ и машиностроительными предприятиями реального сектора экономики и реализовать совместный проект, направленный на импортозамещение и повышение конкурентоспособности отечественного инструмента.
Также собираемся участвовать в различных крупных научных проектах, проводимых в рамках федеральных целевых программ и 218-го постановления. Более масштабная финансовая поддержка позволит организовать уникальное высокотехнологичное производство упрочнения металлорежущего инструмента широкой номенклатуры и усилить связи между УГАТУ и машиностроительными предприятиями реального сектора экономики.
Фирюза ЯНЧИЛИНА
Нет комментариев