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.

Обносов Борис Викторочич, Обносов, Обносов Б.В., КТРВ, корпорация Тактическое ракетное вооружение

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.

керамическая форма, литейное производство, литейная форма, керамика, ктрв, корпорация тактическое ракетное вооружение
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, керамическая форма, литейное производство, литейная форма, керамика, ктрв, корпорация тактическое ракетное вооружение
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, керамическая форма, литейное производство, литейная форма, керамика, ктрв, корпорация тактическое ракетное вооружение
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.

Литьевая форма, керамическая форма, литейное производство, литейная форма, керамика, ктрв, корпорация тактическое ракетное вооружение
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.

Вакуумная печь, плавильно-заливочная установка, керамическая форма, литейное производство, литейная форма, керамика, ктрв, корпорация тактическое ракетное вооружение
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.