Управление производством

Керамические формы — в серию

Корпорация «Тактическое ракетное вооружение» (КТРВ) — признанный лидер в разработке и производстве высокоточного оружия — высокоэффективных управляемых ракет и комплексов вооружения воздушного, наземного, морского базирования. Кроме военной продукции здесь производится широкий спектр изделий гражданского и двойного назначения. В настоящее время в структуру Корпорации входят 39 предприятий, а ее технологические возможности позволяют контролировать весь жизненный цикл изделий от разработки конструкторской документации, изготовления опытных образцов, проведения испытаний, серийного выпуска, до модернизации и послепродажного обслуживания. На производственных площадках идет непрерывный процесс улучшений. Так в рамках ФЦП «Развитие оборонно-промышленного комплекса РФ на 2011–2020 годы» на головном предприятии Корпорации был реализован проект модернизации литейного производства. Реконструкция затронула в первую очередь технологию литья по выплавляемым моделям (ЛВМ) из титановых сплавов.
20 августа 2019

Получение точных литейных заготовок по выплавляемым моделям из химически активных титановых сплавов — весьма дефицитная компетенция. Специалисты КТРВ смогли внедрить в серийное производство керамические формы на основе отечественных водных кремнезольных связующих. Такое импортозамещение способно дать новый импульс титановому литью в российской промышленности.

Генеральный директор Корпорации Борис Обносов рассказал «Умнпро» об особенностях модернизации производственных мощностей и о дальнейших планах по диверсификации и увеличению присутствия на гражданских рынках. Кроме того, нам выпала уникальная возможность побывать в цехах головного предприятия и увидеть работу новой литейной линии вживую.

— Борис Викторович, в чём заключаются основные преимущества новой литейной линии?

Проект реконструкции и технического перевооружения производства изделий из титановых сплавов можно назвать уникальным. Технологический процесс получения титановых отливок очень сложен, а предприятий, способных его реализовать у нас в стране, существует не более десятка. К тому же в этом направлении наблюдается серьезный кадровый дефицит: специалистов в области титанового литья становится всё меньше и меньше. Несмотря на то, что литейное производство является основой заготовительной базы для последующих переделов, сегодня многие предприятия отказываются от литейных цехов из-за высокой энергоемкости и материалоёмкости процесса, вредности, нестабильной загрузки оборудования, дороговизны. При этом у авиастроения и других высокотехнологичных отраслей промышленности существует стабильный спрос на литые изделия из титановых сплавов. В рамках проекта технического перевооружения технология титанового литья была полностью переоснащена. Теперь на нашем литейном участке задействовано современное роботизированное и автоматизированное оборудование, внедрены новые Роботизированный комплекс изготовления керамических форм материалы. Сведено к минимуму влияние человеческого фактора на качество продукции, при этом существенно повысилась культура производства. Литье перестало ассоциироваться с постоянной грязью, пылью, задымленностью. Широкий спектр существующих литейных технологий позволяет получать отливки любой сложности с толщиной стенок от 0,5 мм. Один из наиболее распространенных способов получения точных литейных заготовок — литье по выплавляемым моделям. Именно эта технология применяется на нашем производстве для получения отливок из химически активных титановых сплавов.

Роботизированный комплекс изготовления керамических форм

 

— И каков эффект?

Революционный. Классическая технология литья по выплавляемым моделям основывается на применении экологически вредных пожароопасных материалов на основе органического этилсиликата. При таком методе послойное формирование керамической оболочки производится вручную, а равномерность нанесения слоев не обеспечивается. Применение водных связующих на основе коллоидного кремнезема до недавнего времени ограничивалось нестабильностью свойств керамических форм и риском образования газонасыщенного альфированного слоя на поверхности получаемых титановых отливок. Такие изделия имеют характерный цвет поверхности и обладают повышенной хрупкостью. Однако нашим инженерам удалось нивелировать эту проблему. Головное предприятие одним из первых в России внедрило серийное производство керамических форм на основе отечественных водных кремнезольных связующих. Новая производственная линия и новая технология позволили увеличить производственную мощность цеха по титановому литью с 10 до 25 тонн годного литья в год и существенно снизить процент брака. Модернизированная линия позволила улучшить качество производственных процессов, а также создать центр технологических компетенций титанового литья, в интересах не только предприятий КТРВ, но и всего ОПК. В настоящее время линия загружена на 25%, отправлены заявки многим российским предприятиям. Мы готовы производить литые изделия по аутсорсингу для оборонных и гражданских предприятий. Создание центра компетенций по титановому литью в Королёве можно считать предпосылкой для появления подобных технологических центров по разной профильной направленности на других наших предприятиях. Например, Пермский завод «Машиностроитель» обладает серьёзными компетенциями в электронно-лучевой сварке.

ктрв
Нанесение слоя на роботизированном комплексе

 

— Какое оборудование теперь используется в литейном цехе?

Комплекс оборудования, внедренный по проекту «Реконструкция и техническое перевооружение производства изделий из титановых сплавов», позволяет минимизировать ручной труд. Ранее нанесение на модельные блоки огнеупорной суспензии и перемещение керамических форм осуществлялось вручную, теперь это делает робот в составе роботизированной линии. Это немаловажно, с учетом того, что многие керамические формы на финальных стадиях процесса изготовления весят более 35 кг. В ходе модернизации в литейном цехе были установлены: инжекционно-литьевая шприц-машина для изготовления выплавляемых моделей, роботизированный комплекс послойного изготовления керамических форм по выплавляемым моделям, бойлерклав для удаления модельновоскового состава, шахтные печи для прокаливания форм, а также вакуумная дуговая плавильно-заливочная установка для плавки и заливки форм титановым сплавом. Основная трудность, связанная с внедрением этого оборудования, состояла в том, что оно изначально эксплуатировалось исключительно с использованием импортных материалов, поставка которых прекратилась с 1 февраля 2018 года из-за нового пакета санкций. Во многом именно этот факт подтолкнул нас к поиску отечественных заменителей. Российская компания ООО «Вакуумтех» смогла разработать и произвести связующие на водной основе. Для адаптации отечественных материалов был перепрограммирован робот, установлена система контроля микроклимата в производственных помещениях цеха, изменен состав суспензии и режимы её нанесения на модельные блоки. В марте этого года линия была запущена, и первые же результаты ее работы показали, что суспензия, приготовленная на отечественных материалах, обладает лучшими технологическими и реологическими свойствами по сравнению с импортными аналогами. Проделана большая исследовательская работа, создана база для модернизации производственных линий на других предприятиях, ведь ООО «Вакуумтех» стал первым отечественным производителем подобных материалов для литья по ЛВМ.

— Сколько времени и средств потребовалось на столь масштабный проект?

Модернизация литейного производства началась в 2013 году и завершилась в марте 2019. Общая стоимость проекта составила более 800 млн. рублей.

— Технология ЛВМ предполагает наличие в производственном процессе пресс-форм. Использование такого рода оснастки оправдано при крупносерийном производстве. Но когда речь идет о мелкономенклатурном, эксклюзивном производстве, то изготовление пресс-форм существенно отразится на себестоимости продукции. Аддитивные технологии позволяют решить этот вопрос путём создания эксклюзивных пресс-форм или даже готовых мастер моделей. Планируете ли вы включить 3D-принтеры в вашу линию ЛВМ?

Мы планируем применять 3Dпринтеры в производстве выжигаемых моделей и многоразовой модельной оснастки. В соответствии с программой развития аддитивных технологий, в Корпорации проводится ряд опытных работ, в результате которых будет определен состав аддитивного оборудования с учетом специфики нашей продукции. С помощью 3D-принтеров мы сможем быстро подготавливать литейное производство к освоению новой номенклатуры или выпускать мелкие серии отливок без изготовления оснастки, что отвечает требованиям рынка. Также необходимо отметить, что в плане технологической подготовки производства мы не стоим на месте. Совместно с ФГОУ ВО «МАИ» (НИУ) проведена НИР под названием «Проектирование литниково-питающей системы и режимов центробежного литья фасонных отливок из титановых сплавов», результатом которой является программное обеспечение для расчета параметров литниково-питающей системы, обеспечивающей плавное заполнение формы расплавом и питание массивных узлов отливки. Данное ПО, правообладателем которого является АО «КТРВ», позволит нам обеспечить качество отливок на стадии разработки технологии и сократить время её отработки.

ктрв литье
Процесс нанесения огнеупорных слоев на роботизированном комплексе

 

— Обновление литейного производства открывает перед КТРВ новые возможности и в плане диверсификации. Как Вы оцениваете в целом готовность Корпорации к расширению производства гражданской продукции и продукции двойного назначения?

Безусловно, нашим основным профилем является вооружение. Тем не менее у нас существует опыт создания гражданской продукции с нуля. Идея, НИР, НИОКР, ОКР, серийное производство — алгоритм налажен, осталось только выбрать востребованный промышленный продукт. В КТРВ создана спецструктура по выпуску гражданской продукции и продукции двойного назначения, она активно развивается и ищет потенциальных заказчиков. Президент России поставил задачу повысить долю выпуска гражданской продукции к 2025 году до 30%, а к 2030 году до 50%. Трудная задача, но есть поддержка процессу диверсификации производств, в том числе от Минпромторга РФ. Имеющиеся производственные мощности и научный потенциал позволяют выпускать практически любую высокотехнологичную продукцию. И сегодня мы уже производим конкурентоспособные товары гражданского и двойного назначения. Например, наши высотомеры — одни из лучших в мире, наша авионика и двигатели используются в производстве самолётов малой авиации. Мы выпускаем двигательные установки для систем аварийного спасения экипажей космических кораблей в случае аварии ракетно-космических комплексов на старте и в полёте, двигатели мягкой посадки и малой тяги пилотируемых космических кораблей, твердотопливные газогенераторы, применяемые в ракетной и авиационной технике, передвижные противопожарные установки, легкие многоцелевые самолеты. Кроме этого, предприятия Корпорации производят системы безопасности для газового оборудования, портативные котельные и бытовые газовые котлы, оборудование для АЭС, медицинское оборудование, в том числе для лечения онкологических заболеваний, мобильные медицинские лаборатории экспресс-диагностики, системы связи и диагностики для железнодорожного транспорта и машиностроения.

Готовые к заливке керамические формы

 

— Крупные корпорации часто критикуют за неэффективность производственных процессов, за простои дорогостоящего оборудования. Был ли учтен этот опыт? Исходя из чего объектом техперевооружения выбрали именно литейный цех?

К модернизации литейного производства мы готовились очень скрупулезно. Для реконструкции было выбрано самое слабое по целому ряду причин производственное звено. Вредность, влияющая на здоровье людей и окружающую среду, устаревшее морально и физически оборудование, существенные затраты на материалы, чувствительный процент брака. По словам заместителя генерального директора главного инженера КТРВ Владислава Родителева, сейчас литейный цех изменился до неузнаваемости:

— По старой технологии формы изготавливались на основе этилсиликата — органического материала, при приготовлении которого используется этиловый спирт и аммиак. Шкафы, где сохли формы, не отличались герметичностью, поэтому запах аммиака распространялся по всему цеху. Производство напоминало детскую песочницу, вокруг которой всегда рассыпан песок. Но в отличие от песка, гидролизованный этилсиликат подвержен химическому твердению, после чего удалить его можно только с помощью пневмомолотка.

Вакуумная дуговая плавильно-заливочная установка ДВЛ-200ДМ

 

Ровные чистые полы, система кондиционирования, отсутствие неприятных запахов. В цехе литья титановых сплавов изготавливаются различные литые заготовки для серийной продукции предприятия. Производственный цикл начинается с подготовки металлической пресс-формы, которая затем устанавливается в инжекционно-литьевую шприцмашину. В оснастку запрессовывается расплавленный воск, после затвердевания которого модель готова для следующего этапа — послойного нанесения керамического состава. Именно на этом участке и сосредоточены главные новации — роботизированный комплекс, автоматический конвейер и баки с керамической суспензией и тем самым отечественным связующим. Восковая модель собирается в блок и монтируется на специальную поддержку, робот захватывает ее и опускает в емкость с суспензией. Далее происходит обсыпка блока мелкозернистым электрокорундом и его сушка на конвейере. Операция повторяется до тех пор, пока не будет нанесено необходимое количество слоев керамической суспензии, в зависимости от технологических требований и размеров восковой модели. Системы климатического контроля поддерживают на участке постоянную температуру и влажность. Проходит 36 часов — и первая партия форм готова. Далее каждые 24 часа возможно снимать с конвейера до 42 готовых керамических форм.

— Российские материалы, а это не только связующее, но и электрокорунд, дешевле импортных аналогов более, чем в четыре раза, — поясняет Владислав Родителев. — Если раньше в этих баках «крутилось» порядка 3,5 млн. рублей то, сейчас — 800 тысяч. Значительно снизился и расход материалов, теперь суспензия распределяется на модельных блоках более равномерно, без подтеков, оболочка имеет стенки одинаковой толщины. Свойства связующего позволяют стечь лишнему объему керамической суспензии перед операцией обсыпки, а специальные добавки обеспечивают качественное покрытие восковых моделей.

Рассуждая о бережливом производстве, о положительном эффекте от внедрения автоматизации, многие эксперты предпочитают опираться на реальный производственный опыт. Литейная линия в Королёве — очень убедительный в этом плане пример. Роботизированная ячейка литейного комплекса КТРВ существенно облегчила труд персонала и практически исключила роль человеческого фактора Вакуумная дуговая плавильно-заливочная установка ДВЛ-200ДМ Процесс работы на вакуумной печи ДВЛ-200ДМ в столь ответственных операциях, как нанесение керамической суспензии и послойная сушка. В перспективе новая линия может стать фундаментом для дальнейшей автоматизации и цифровой трансформации предприятия.

Владислав Родителев показал нам и участок вытопки восковых моделей из керамических форм. Бойлерклав разогревает воду до 180 градусов Цельсия, тем самым превращая ее в перегретый пар. Для полной вытопки воска из керамической модели необходимо 10 минут выдержки при давлении в 8 технических атмосфер. Еще хрупкая на данном этапе керамическая форма выдерживает процесс вытопки без образования трещин. Находящийся под давлением пар, как бы проникает сквозь керамическую корку и моментально передает тепло восковой модели, не давая ей расширяться. По старой технологии воск вытапливался бы из формы в горячей воде около 30 минут.

После бойлерклава керамическая форма выстаивается в атмосфере цеха около 12 часов и далее прокаливается в печи при температуре 900 градусов по Цельсию.

Процесс работы на вакуумной печи ДВЛ-200ДМ

 

Финальный этап – заливка титана в керамические формы. Из-за физикохимических свойств титанового сплава, а этот металл в жидком состоянии при взаимодействии с содержащимся в воздухе кислородом становится взрывоопасным, процесс происходит в вакуумной среде. На центробежный стол вакуумной дуговой плавильнозаливочной установки устанавливается контейнер с керамическими формами, закрепленными на специальном стояке, куда и будет заливаться расплавленный титан. В камере печи установлен водоохлаждаемый плавильный тигель, в котором постоянно поддерживается корка из титанового сплава, называемая гарниссажем. Плавка ведется путем расплавления титанового электрода диаметром 360 мм.

— Процесс напоминает дуговую сварку, — рассказывает главный металлург Илья Конторович. — Электрод опускается вниз тигля, разжигается электрическая дуга с силой тока до 40000 ампер и начинается плавление. Когда электрод полностью расплавляется, операторы доводят металл до определенной температуры, включают вращение центробежного стола и заливают сплав в формы через металлический стояк. После остывания контейнер со стояком, на котором может быть одновременно до восьми форм, извлекают из печи, отрезают отливки от литниковой системы, отбивают керамику и отправляют титановые изделия на участок финишной обработки. Благодаря модернизации литейного производства и внедрению новой технологии производительность цеха на сегодняшний день составляет до 25 тонн годного литья в год, а процент брака керамических форм и готовых изделий из титана составляет не более 5%. Весь производственный цикл, начинающийся с восковой выплавляемой модели и заканчивающийся готовой литейной заготовкой, занимает десять смен. Высокая производительность роботизированной линии позволит КТРВ выполнять сторонние заказы, что немаловажно учитывая потребности российских предприятий в титановом литье.