Разработка цифровой платформы контроллинга инженерного бизнеса на основе технологии порошковой металлургии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/



Размещено на http://www.allbest.ru/

5

Содержание

ВВЕДЕНИЕ

1 УПРАВЛЕНЧЕСКИЙ УЧЕТ НА ОСНОВЕ ЦИФРОВОЙ ПЛАТФОРМЫ КОНТРОЛЛИНГА

1.1 Контроллинг в инженерном бизнесе

1.2 Параметры производственно-технологической системы

1.3 Управленческий учет цифровой платформы контроллинга

2 ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВА НА ОСНОВЕ ЦИФРОВОЙ ПЛАТФОРМЫ КОНТРОЛЛИНГА ИНЖЕНЕРНОГО БИЗНЕСА

2.1 Производство металлических порошков

2.1.1 Механические методы получения порошка

2.1.2 Физико-химические методы получения порошка

2.2 Подготовка порошка

2.2.1 Отжиг

2.2.2 Классификация

2.2.3 Приготовление смесей

2.3 Прессование в пресс-форме

2.4 Спекание прессовок

3 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ИННОВАЦИИ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ САМОСМАЗЫВАЮЩИХСЯ ПОДШИПНИКОВ СКОЛЬЖЕНИЯ

3.1 Антифрикционные материалы

3.2 Производственно-технологическая система изготовления пористых подшипников скольжения

3.3 Инновационное решение на этапе смазывания пористых самосмазывающихся подшипников скольжения

3.4 Оптимизация процесса прессования пористых самосмазывающихся подшипников скольжения

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Технологическая схема железо-медь-графитовых подшипников скольжения

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Патент на полезную модель

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Параметры и критерии операционного цикла производства пористых самосмазывающихся подшипников скольжения с добавлением противозадирных присадок

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Интерпретация структуры технологических затрат производства подшипников скольжения

ПРИЛОЖЕНИЕ 5 Перевод на английский язык темы, содержания и аннотации выпускной квалификационной работы

металлургия порошковый бизнес платформа



Введение

Одним из основных направлений развития технологии машиностроения в настоящее время является совершенствование существующих и разработка новых безотходных, материалосберегающих производственных процессов, т. е. таких процессов, которые обеспечивают получение заготовок с минимальными припусками под последующую механическую обработку либо вообще без них при одновременном снижении расхода дефицитных материалов. В решении этой проблемы определенная роль принадлежит порошковой металлургии.

Порошковая металлургия - это отрасль техники, охватывающая производство металлических порошков, а также изделий из них или их смесей с неметаллическими порошками.

Очень сложно найти отрасль промышленности где бы не использовались изделия и материалы, получаемые порошковой металлургией.

Порошки получают из металлического сырья, а так же других отходов металлургического и машиностроительного производства.

Значительная роль в техническом прогрессе занимает порошковая металлургия, так как с помощью её создаются новые, уникальные материалы, которые не изготовить с помощью традиционных технологий.

Порошковая металлургия считается безотходной технологией, коэффициент использования материала Ким=0,95 [1].

В качестве модели производственного процесса принят операционный цикл конверсии производственного капитала в денежный капитал в форме произведенной и реализованной продукции, имеющей добавленную рыночную стоимость.

Актуальность темы исследования заключается в необходимости непрерывного совершенствования процесса организации производства с целью увеличения конкурентных преимуществ.

Объектом исследования является самосмазывающиеся подшипники скольжения, изготовленные на основе метода порошковой металлургии.

Предметом исследования являются параметры технологического процесса изготовления самосмазывающихся подшипников скольжения.

Целью выпускной квалификационной работы, с точки зрения инженерного бизнеса, является выпуск и реализация продукции с требуемыми потребительскими свойствами.

Задачи выпускной квалификационной работы:

1. Изучить производственно-технологическую систему изготовления изделий методом порошковой металлургии.

2. Рассмотреть цифровую платформу управленческого учёта инженерного бизнеса по производству пористых изделий методом порошковой металлургии, согласно концепции А.Н. Шичкова.

3. Оценить и проанализировать структуру операционных затрат изготовления изделий методом порошковой металлургии.

4. Разработать технологическую инновацию, целью которой является увеличение конкурентных преимуществ и добавленной стоимости изделий, изготовленных методом порошковой металлургии.

5. Оценить экономическую целесообразность применения технологической инновации, путем построения структуры технологических затрат.

Для решения поставленных задач в выпускной квалификационной работе применялись методы: теоретический метод, анализа и прогнозирования, метод расчета экономической эффективности.

Практическая значимость работы заключается в увеличении доли добавленной стоимости в объеме реализованной продукции за счет увеличения конкурентных преимуществ продукции, в результате повышения потребительских свойств, что обеспечило возможность повышения цены за единицу продукции.

Выпускная квалификационная работа содержит введение, три главы, заключение и 5 приложений.

В первой главе проведен информационный анализ в области управленческого учета инженерного бизнеса, рассмотрено понятие контроллинга, а так же рассмотрены основные параметры производственно-технологической системы с использованием научных трудов Шичкова А. Н.

Вторая глава содержит описание производственно-технологической системы по изготовлению деталей методом порошковой металлургии.

Рассмотрены основные технологические переделы, такие как: способы получения порошков, приготовление шихты в смесителе, прессование на прессе в пресс-форме и спекание порошковых изделий. Разработан маршрутно-технологический процесс изготовления самосмазывающихся подшипников скольжения на основе порошковой металлургии.

Третья глава посвящена разработке технологической инновации при изготовлении самосмазывающихся подшипников скольжения методом порошковой металлургии. Выполнен информационный поиск в области антифрикционных материалов. Проведен патентный поиск, выполнен анализ патентной чистоты. Выполнены необходимые расчеты для производства самосмазывающихся подшипников скольжения и проанализирована структура операционных затрат в условиях освоения инновации.

Заключение содержит выводы по выполненной работе. Приложения содержат справочные и дополнительные материалы к выпускной квалификационной работе.



1 Управленческий учет на основе цифровой платформы контроллинга

1.1 Контроллинг в инженерном бизнесе

В современной экономике среди исследователей нет единого мнения к определению понятия контроллинга.

По мнению Шичкова А. Н. контроллинг - ориентированная на перспективу система информационно-аналитической и методической поддержки менеджмента в процессе планирования, контроля, анализа и принятия управленческих решений по всем функциональным параметрам деятельности предприятия.

Контроллинг является концепцией менеджмента, направленной на создание, развитие и поддержание конкурентных преимуществ предприятия путём интеграции и координирования всех функций и объектов менеджмента и контроля в реальном времени. Он является инструментом системы менеджмента, выстроенного на основе практических инноваций современного менеджмента, обеспечивая контроль и управление на основе стоимости бизнеса [2].

А. М. Карминский и С. Г. Фалько, считают, что одной из главных причин возникновения и внедрения концепции контроллинга является необходимость в системной интеграции различных аспектов управления бизнес-процессами в организационной системе.

Контроллинг должен обеспечить адаптацию традиционной системы учета на предприятии к информационным потребностям должностных лиц, принимающих решения, таким образом, основными функциями контроллинга являются создание, обработка, проверка и представление системной управленческой информации. Контроллинг так же поддерживает и координирует процессы планирования, обеспечения информацией [3].



1.2 Параметры производственно-технологической системы

Согласно Федеральному закону «Об инженерном деле и инженерной деятельности в Российской федерации» под инженерным делом понимается - область полезной деятельности человека, направленная на практическое приложение и применение научных, экономических, социальных и практических знаний с целью обращения природных ресурсов на пользу человека и общества.

Инженерная деятельность - вид деятельности, в котором инженерное дело является основным средством достижения экономических целей [4].

Инженерный бизнес предложено организовать на основе машиностроительных предприятий.

По концепции д.т.н., д.э.н., профессора А. Н. Шичкова инженерный бизнес - интегрированный комплекс активов, пассивов и операционных процессов, обеспечивающий производство продукции или услуг в производственно-технологических системах (ПТС) предприятия, имеющих конкурентные преимущества на внешнем рынке.

В результате операционных процессов в ПТС и реализации продукции (услуг), имеющей конкурентные преимущества, на внешнем рынке получены средства (выручка), необходимые и достаточные для поддержания непрерывного бизнеса и инвестирования в капитализацию акционерного капитала путём освоения продуктовых, технологических и аллокационных инноваций [5].

Основными параметрами инженерного бизнеса являются:

- объем производства, G;

- объем продаж, Vsv;

- основные фонды, Umf;

- операционные затраты, Coc;

- годовой ресурс рабочего времени, R0;

- годовой ресурс срока полезного использования, RG;

- производительность, T;

- норма амортизации материальных активов, б;

- норма амортизации не материальных активов, в;

- срок полезного использования материальных активов, zta;

- срок полезного использования не материальных активов, zita;

- операционная прибыль, P;

- чистый доход, D0;

- ставка налога на основные средства, Шfa;

- налог на основные средства, Nfa;

- ставка налога на операционную прибыль, Шp;

- налог на операционную прибыль, Np [6].

Производственно-технологическая система представляет собой минимальный набор материальных и нематериальных активов с последующим выпуском продукции, имеющей рыночную стоимость и конкурентные преимущества. Основными параметрами ПТС являются производственный капитал, технологические затраты, основные фонды, объем реализованной продукции и чистый доход.

На рисунке 1 представлен равновесный треугольник идеального операционного цикла конверсии, который образуют вектора денежного потока: вектор производственного капитала Qmc (1,4); вектор денежного капитала Vsv (1,2); вектор затратной стоимости Ctc (1,3).

Реальный цикл конверсии является неравновесным. Задачей инновационной деятельности непрерывно увеличивать добавленную рыночную стоимость продукции путём использования доли деловых отходов в продуктовых и технологических инновациях.

Векторное уравнение производственного капитала (1) в эпюре представлено в форме векторного равнобедренного прямоугольного треугольника 1-3-4. Векторное уравнение денежного капитала (2) в эпюре представлено в форме векторного равнобедренного прямоугольного треугольника 1-2-3.

Рисунок 1 - Вектора параметров производственно-технологической системы

Вектор денежного потока производственного капитала рассчитывается по формуле 1:

	.	(1)

Данные вектора имеют различное направление, являются ортогональными, так как формируются из разных источников.

Вектор технологических затрат равен сумме коллинеарных векторов, а именно вектора денежных потоков операционных материальных и прочих затрат, затрат на оплату труда:

	.	(2)

Вектор стоимости основных фондов равен сумме коллинеарных векторов денежных потоков основных средств, как правило, материальных активов, облагаемых налогом на имущество и амортизируемых (обесцениваемых):

	.	(3)

Вектор денежного потока денежного капитала равен сумме ортогональных векторов денежного потока затратной стоимости продукции сформированной в производственно-технологической системе предприятия и вектора денежного потока добавленной рыночной стоимости продукции, сформированной по маркетинговым технологиям:

	.	(4)

В свою очередь, вектор денежного потока затратной стоимости продукции равен в управленческом учёте разности коллинеарных векторов денежного потока технологических затрат и вектора денежного потока деловых отходов:

	.	(5)

А вектор денежного потока добавленной стоимости продукции, с точки зрения управленческого учета, равен сумме коллинеарных векторов налога на добавленную стоимость, вектор налога на имущество, вектор «revenue» в форме чистой прибыли собственников бизнеса, вектор обесценивания материальных активов, вектор амортизации нематериальных активов и вектор деловых отходов:

	.	(6)

Равновесный операционный цикл конверсии принят в качестве системы координат для исследования векторного поля операционного цикла конверсии. Критерием равновесия операционного цикла:

	?cc.	(7)

Критерий равновесия производственного капитала:

	.	(8)

Маркетинговый критерий:

	.	(9)

1.3 Управленческий учет цифровой платформы контроллинга

Цифровая платформа контроллинга обеспечивает требуемый уровень равновесия производственного капитала, денежного капитала и уровня конверсии производственного капитала в денежный капитал в замкнутом операционном цикле.

Задачей системы управленческого учёта прикладной задачи инженерного бизнеса является формирование потребительских свойств продукции.

На рисунке 2 представлена блок-схема полезной модели управленческого учёта инженерного бизнеса по производству пористых изделий методом порошковой металлургии.

Рисунок 2 - Система управленческого учёта формирования потребительских свойств продукции на основе технологии порошковой металлургии [6]

Функции цифровых блоков управленческого учёта:

1. Требуемые технологические затраты, сформированные на основе складского учёта:

	.	(10)

2. Основные фонды, согласно бухгалтерскому учёту материальных и нематериальных активов, участвующих в производстве данной продукции:

	.	(11)

3. Критерий равновесия производственного капитала производственно-технологической системы:

	.	(12)

4. Требуемая внутренняя затратная стоимость продукции по бухгалтерскому учёту:

	.	(13)

5. Планируемая добавленная рыночная стоимость продукции, включающая: налог на добавленную стоимость, налог на имущество юридических лиц, амортизацию от материальных и нематериальных активов, чистую прибыль с налогом в качестве капитализации собственникам бизнеса и деловые отходы, как разница между технологическими затратами и затратной стоимостью продукции:

	.	(14)

6. Критерий равновесия денежного капитала:

	.	(15)

7. Рыночная стоимость продукции (объём реализованной продукции):

	.	(16)

2 Организация производства на основе цифровой платформы контроллинга инженерного бизнеса

За основу взята производственно-технологическая система производства изделий методом порошковой металлургии. На рисунке 3 представлены основные технологические переделы:

1. Производство металлических порошков.

2. Смешивание порошка в смесителе.

3. Прессование в прессе с пресс-формой.

4. Спекание.

Рисунок 3 - Производственно-технологическая система порошковой металлургии

Сущность процесса прессования заключается в деформировании некоторого объема сыпучего порошкового тела размеров и свойств. Объём порошкового тела, в отличие от компактного, изменяется в результате смещения отдельных частиц, заполняющих пустоты между ними, и за счет деформации частиц.

Для формообразования заготовок из порошков необходимо наличие установки, создающей силовое воздействие на порошок (механический, гидравлический пресс или специальное устройство) и пресс-оснастки, обеспечивающей придание заготовке требуемой формы, размеров, плотности (пресс-формы).

2.1 Производство металлических порошков

Исходным сырьём, используемым при изготовлении деталей методом порошковой металлургии, является шихта - отходы металлургических заводов.

Все способы получения порошков принято разделять на две большие группы: механические методы и физико-химические.

К механическим методам относят измельчение твердых металлов, распыление жидких металлов и плазменные процессы получения порошков. Процессы происходят под действием внешних сил, без изменения химического состава металла.

Физико-химические процессы происходят с изменением химического состава исходного материала, или его агрегатного состояния: восстановление металлов газами, электролиз. Данный метод может сопровождаться рафинированием - очищение металла от нежелательных примесей.

Разнообразие методов производства порошка определяется тем, что каждый метод обеспечивает получение порошка с заданным комплексом свойств и характеристик.

2.1.1 Механический метод получения порошка

Механический метод получения порошка происходит путем измельчения исходного материала в порошок без значительного изменения его химического состава.

Выбор метода измельчения, чаще всего, зависит от свойств исходного материала. Возможности изменения его физических свойств, загрязненности, изменения формы частиц, экономичности процесса.

Чаще всего используют размол твердых материалов в мельницах различных конструкций и диспергирование расплавов.

На рисунке 4 представлена схема движения размольных тел в шаровой вращающейся мельнице. Недостатком шаровых мельниц и других подобных устройств, является загрязнение порошка продуктами износа размольных шаров и стенок.

Рисунок 4 - Схема движения размольных тел в шаровой вращающейся мельнице:

а - режим скольжения; б - режим перекатывания; в - режим свободного падения; г - движение при критической скорости вращения [7]

Более чистый порошок получают в вихревых и струйных мельницах, порошок не загрязняется металлом дробящих тел. Частицы порошка расплющиваются и теряют шероховатость в меньшей мере, чем при размоле в обычных мельницах. В процессе измельчения происходит наклёп металла, поэтому до формования порошок отжигают (железные порошки в течение 1-2 часа при 800-1000°С), а затем спёкшуюся массу разбивают в дробилках и молотковых мельницах.

Структура частиц порошков зависит от длительности вихревого размола. При кратковременном размоле (2-10 минут) обрезков проволоки и стружки получают частицы преимущественно сферической формы. При более длительном вихревом размоле частицы ковкого металла сплющиваются и обычно имеют характерную форму тарелки с загнутыми краями.

Вихревое дробление имеет ряд преимуществ:

- оборудование несложно и экономично;

- в качестве исходного сырья можно использовать стружку;

- производственный процесс легко контролируется;

- порошки при измельчении получаются чистыми, без посторонних включений [8].

Порошки железа высокой чистоты, легированных сталей получают распылением расплава чистого железа или легированных сталей азотом или аргоном, в отдельных случаях - водой высокого давления.

К основным видам распыления порошков относят:

а) распыление расплава сжатым воздухом в воду. При этом порошок становится окисленным, необходимо произвести восстановительный или восстановительно-обезуглероживающий отжиг. Таким способом получают порошки: меди, железа и сплавов на его основе;

б) распыление расплавов сжатым воздухом в сухие бункеры. Порошок получается сильно окисленным, поэтому его подвергают восстановительному отжигу. Данным методом получают порошки цветных металлов и сплавов, окислы которых легко восстанавливаются: меди, свинца, олова, цинка, алюминия, бронзы;

в) распыление сплавов на основе железа водой под высоким давлением в воду. Окисленность порошка уменьшается, порошки получаются несферической формы, но высокая скорость охлаждения приводит к образованию закалочных структур в частицах порошка. Поэтому порошок отжигается в восстановительной атмосфере. Способ применяется при изготовлении порошков железа, легированных сталей, сплавов;

г) распыление расплава инертным газом, который содержит контролируемые добавки кислорода (2-6%). Получают порошки металлов и сплавов, которые по технологическому процессу должны иметь на поверхности трудновосстановимые окислы (алюминий и его сплавы);

д) распыление жидких металлов сжатым инертным газом в инертную газовую среду. Порошки не окисляются и сразу могут идти в производство. Метод применяется для получения порошков металлов и сплавов, окислы которых трудно восстанавливаются (быстрорежущие и др. высоколегированные стали);

е) грануляция - процесс получения гранул, частиц по размерам больших, чем порошок. Получают грубые порошки железа, меди, серебра, свинца, олова, цинка [9].

Основные механические методы получения металлических порошков и их характеристика представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Механические методы получения порошка

Методы получения порошка	Характеристика метода	Получаемые порошки
Дробление и размол твердых материалов	Измельчение стружки, обрезков и компактных материалов проводят в шаровых, вихревых, молотковых и других мельницах, КПД которых сравнительно невелик	Железо, медь, марганец, латунь, бронза, хром, алюминий, стали
Диспергирование расплава	Струю расплавленного металла диспергируют механическим способом (воздействием центробежных сил и др.) или действуя на нее потоком энергоносителя (газа или жидкости)	Алюминий, свинец, цинк, бронза, латунь, железо, чугун, сталь
Обработка твердых (компактных) металлов резанием	Получают крупные порошки. При станочной обработке литых металлов или сплавов подбирают такой режим резания, который обеспечивает образование частиц, а не стружки	Сталь, латунь, бронза, магний

2.1.2 Физико-химический метод получения порошка

Восстановление - процесс получения металла из его химического соединения путём отделения неметаллической составляющей (кислорода, солевого остатка и т.д.) при помощи какого-либо вещества, называемого восстановителем.

Чаще всего восстановителями являются газы (чистый CО, H2 или среды, содержащие эти газы в различной пропорции), твердый углерод и металлы (Ca, Na, Mg).

При спекании порошковых изделий восстановители играют роль защитных сред. Они позволяют исключить взаимодействие порошковых изделий с кислородом и азотом, а также придать изделиям необходимые свойства (например, упрочнить поверхность изделий). Среды подразделяются на газовые, сыпучие и комбинированные (состоящие из твердых засыпок и защитного газа). К защитным средам относится вакуум.

Выбор восстановительной или защитной среды для восстановления химических соединений металлов и спекания порошковых материалов с целью получения заданных свойств определяется термодинамическими характеристиками систем пористое твердое тело - защитный газ (восстановитель). При этом учитывается особенность порошковых материалов, удельная поверхность пористых тел, наличие оксидных пленок на поверхности частиц и в порах [10].

Восстановленные порошки имеют характерную губчатую структуру, в которой отдельные мелкие частицы сцепляются в непрочные комочки (рисунок 5), которые распадаются на отдельные мелкие частицы при прессовании. Благодаря такой структуре восстановленные порошки обладают хорошей прессуемостью.

Рисунок 5 - Железный порошок, полученный восстановлением

Существенным недостатком метода-восстановления для массового производства железных порошков является большое количество примесей в виде окислов, практически невосстановимых в условиях спекания (окислы кремния и марганца). Изделия, спеченные даже из наиболее чистого железного порошка, содержат более 1% невосстановленных окислов кремния и марганца. Это обстоятельство существенно снижает механические свойства (особенно пластичность) и коррозионную стойкость железных и стальных изделий из восстановленных порошков.

Электролиз - процесс осаждения металлов на катоде при пропускании постоянного электрического тока через водные растворы соединений выделяемого металла или его расплавленных солей. На рисунке 6 представлена технологическая схема получения медного порошка на основе электролиза раствора сернокислой меди.

Рисунок 6 - Схема электролиза

Процесс электролиза происходит на границе электрода и раствора. Источник тока передвигает электроны с одного полюса электромагнитной цепи на другой, таким образом, упорядочивая движение частиц. На катоде появляется множество отрицательно заряженных электронов, и он становится отрицательно заряженным. В свою очередь, анод теряет часть электронов и становится положительно заряженным. Чем выше напряжение на электродах, тем быстрее движутся частицы [7].

Получаемые порошки отличаются хорошей прессуемостью и спекаемостью, а так же высокой чистотой.

Данным способом получают электролитические порошки вольфрама, урана, железа, циркония, ниобия, тантала, титана, но чаще всего данный метод используется для изготовления медных порошков.

При электролизе меди осадок осаждается на катоде в виде порошка. В качестве анода выступают плиты, катоды могут быть стержнем или пластинами. Электролитом является сернокислый раствор сульфата меди CuSO4. При диссоциации веществ, происходит выделение катионов меди Cu2+ и водорода H+ и анионов SO42- и OH-.

Ванны для электролиза представляют собой ящик (2-5 м3) из металла, железобетона или дерева, покрытого кислостойким материалом.

Снятие медного порошка с катода производят скребком каждые 1-2 часа. Периодически производят, гидровакуумной системой, выгружение медного порошка из ванн, без их отключения. Электролит пропускают через горячую воду (10 м3 на 1 т порошка). Затем производится стабилизация порошка в растворе мылонафта (400 г мыла на 1 м3 воды), на поверхности порошка образуется плёнка, защищающая от коррозии. После промывки порошок обезвоживают в центрифугах и просушивают во вращающихся барабанах воздухом, при 100?С. В таблице 2 представлен химический состав и насыпная плотность медных порошков, полученных электролизом.

Таблица 2 - Химический состав и насыпная плотность медных порошков [11]

Марка	Насыпная плотность	Содержание меди	Примеси, не более
			Железо	Кислород
ПМС-В	2,4-2,7	99,5	0,018	0,10
ПМ	1,25-2,0	99,5	0,018	0,30
ПМС-1	1,25-1,9	99,5	0,018	0,20
ПМС-А	1,3-1,5	99,5	0,018	0,30
ПМС-К	2,5-3,5	99,5	0,06	0,50

2.2 Подготовка порошка

Для получения изделий высокого качества необходимо подготовить шихту без нарушения технологии.

Обычно металлический порошок поступает на производство от поставщика, иногда необходимо проводить дополнительные технологические операции для придания порошку определенных химических и физических свойств, а именно отжиг, классификация и смешивание.

2.2.1 Отжиг

При длительном хранении или в неблагоприятных условиях (при высокой влажности и температуре) частицы порошка окисляются, необходимо их восстановление. Восстановленный порошок следует по возможности быстро направить в обработку. Восстановление проводят в обычных печах, используемых и для спекания.

В качестве восстановителя чаще всего применяют чистый водород и диссоциированный аммиак.

Температуры восстановления следует выбирать как можно ниже, чтобы не было припекания частиц. Чем выше плотность образующегося при восстановлении агломерата, тем больше усилия, необходимые для его последующего измельчения. При этом возможно повторное окисление, а также наклеп диспергированного материала. Чтобы обеспечить образование контактов и механического зацепления частиц порошка при прессовании необходимо подвергнуть эти порошки низкому отжигу [16].

Нагрев производят в защитной среде (инертная или вакуум) при температуре равной 0,4-0,6 абсолютной температуры наименее тугоплавкого основного компонента смеси порошка.

Отжиг производят в проходных печах. Для более качественного процесса очистки от примесей используют атмосферы, содержащие какие-либо добавки [7].

Однако способность к спеканию порошка снижаются в результате часто осуществляемого на практике отжига до прессования.

Порошки, отжигаемые при низких температурах, отличаются мелкими зернами, наличием искажений кристаллической решетки, повышенной плотностью и более высокой удельной поверхностью. Они более активны при спекании, но оказывают большее сопротивление пластической деформации при прессовании. Прочность материалов из данных порошков, как правило, повышена.

Порошок, отожженный при повышенной температуре, чище и пластичнее, но хуже уплотняется при спекании, в результате несколько уменьшается прочность изделий. Применяя низкотемпературный отжиг, или вовсе отказываясь от него, получают более плотные и прочные спеченные материалы [12].

2.2.2 Классификация

В процессе классификации порошки разделяют на фракции определенного размера. Некоторые фракции могут потребовать дополнительной обработки, например измельчению, перед применением. Разделение порошка с размером частиц 40-50 мкм производят с помощью ситовых полотен (медные, бронзовые, никелевые). Сита различаются размером отверстий и толщине проволок.

Меньшие по размеру частицы разделяют воздушной классификацией, применяя воздушные сепараторы, которые отделяют твердые частицы из газового потока под действием силы тяжести. В воздушных сепараторах можно классифицировать частицы размером 0,02-0,1 мм [9].

Для воздушной сепарации эффективно использовать циклоны-сепараторы. В корпус циклона вводят газовый поток с частицами порошка, которые начинают вращаться по спирали, передвигаясь к выпускному патрубку. Частицы маленького размера, оставшиеся в газовом потоке, перемещаются в другой циклон, где процесс повторяется с меньшей скоростью газового потока.

Отжиг и классификацию целесообразно осуществлять на заводах-поставщиках порошка.

В таблице 3 приведена зависимость удельной поверхности порошка железа, полученного восстановлением окалины, от размеров его частиц.



Таблица 3 - Зависимость удельной поверхности порошка железа, полученного восстановлением окалины, от размеров его частиц

Фракции, мкм	250-300	150-250	100-150	40-100	< 40
Удельная поверхность, м2/г	0,08	0,14	0,16	0,17	0,32

Из таблицы 3 можно сделать вывод, что с уменьшением среднего размера частиц порошка его удельная поверхность увеличивается, при растрескивании частиц это ведет также к уменьшению радиуса кривизны поверхности, т.е. к повышению капиллярных сил в массе порошка и характеризует его «геометрическую активность».

На геометрическую активность так же влияют содержащиеся в порошках дефекты, часть которых находится на поверхности. Чем выше тонкость частиц порошка, тем больше число дефектов. Искажения решетки, а также повышенная плотность создают внутренние напряжения, которые приводят к развитию обширной сети границ внутренней поверхности. Из-за данных изменений, а также наличие границ зерен, сохраняющих свое влияние вплоть до высоких температур спекания, происходит весьма значительное уплотнение порошковых пористых тел [12].

2.2.3 Приготовление смесей

Смешивание порошков - процесс приготовления однородной смеси металлических порошков, разного химического и гранулометрического состава, или смеси из металлических и неметаллических порошков.

Главной задачей смешивания является получение однородной смеси, так как на данном этапе формируются конечные свойства изделия. Излишнее время смешивания может привести к переизмельчению и окислению частиц порошка. Шихта является однородной, если 95% произвольно взятых проб соответствуют требуемому химическому и гранулометрическому составу [7].

При смешивании порошков в разной пропорции уменьшается вероятность получения гомогенного состава смеси. Для достижения однородного состава, в данном случае, применяют многоступенчатое смешивание.

Качество смешивания зависит от плотности, величины и формы частиц компонентов, гранулометрического состава и структуры поверхности, а также от соотношения компонентов в смеси. Кроме того, эффективность смешивания зависит от траектории движения частиц и их истирание, что зависит от конструкции смесителя.

Более производительным является механическое смешивание порошков. Смесители могут быть периодического и непрерывного действия. Чаще используют шаровые мельницы периодического действия, качество смешивания зависит от скорости вращения барабана, размера размольных тел, степени заполнения барабана. Наилучшее смешивание достигается при скорости вращения барабана 30-40% от критической. Диаметр размольных тел 10-15 мм, степень заполнения барабана 30%.

Когда нет необходимости в измельчении компонентов, применяют центробежные, барабанные, лопастные, шнековые и смесители непрерывного действия.

Часто для смешивания используют смеситель «Турбула», объемом 400л. Рабочий сосуд вращается в трех плоскостях одновременно, создавая вихревое движение порошков. Возникает переменное ускорение и замедление частиц, благодаря чему достигается качественное и быстрое смешивание.

Так же применяется химическое смешивание. Смешивают растворы солей соответствующих металлов, затем упариванием их кристаллизируют. Осадок прокаливают и получают смесь окислов, которые затем восстанавливают.

Благодаря химическому смешиванию достигается высокая равномерность распределения компонентов. Однако, широкого применения не получило, так как технология требует обязательное применение сушки, что удорожает и усложняет процесс.

Необходимо учитывать возможность появления явления сегрегации - расслоение компонентов, затрудняющее смешивание. Время смешивания примерно равно 3-5 часов. Чем больше время смешивания, тем лучше однородность смеси [9].

2.3 Прессование в пресс-форме

Прессование - формование металлического порошка в пресс-форме под действием давления. На рисунке 7 представлена схема пресс-формы.

Обычно прессование порошковой шихты производят на гидравлических прессах без нагрева, поэтому эту технологическую операцию называют статическим холодным прессованием. При увеличении давления прессования скорость уплотнения понижается. Достигается пористость прессовки не менее 10%.

Дальнейшему увеличению плотности препятствуют следующие факторы:

увеличение силы трения частиц порошка о стенки матрицы;

образование закрытых пор и повышение давления закрытого в них воздуха по мере уменьшения их объема;

уменьшение пластичности материала частиц в результате наклепа при холодной пластической деформации.



Рисунок 7 - Простейшая конструкция пресс-форм:

1 - верхний прессующий пуансон; 2 - матрица; 3 - прессуемый порошок; 4 - нижний выталкивающий пуансон

Используют два метода прессования - одностороннее и двустороннее.

Одностороннее прессование применяют для изготовления деталей простой формы и отношение высоты детали к диаметру не больше единицы.

Из-за трения частиц порошка о стенки матрицы возникает неравномерность плотности порошкового материала по высоте прессовки. Наиболее уплотненные слои находятся в верхней части прессовки, наименее уплотненные в её нижней части. Разноплотность возрастает с повышением высоты прессовки и может привести к нежелательному искажению размеров и формы прессовки при спекании. Для её уменьшения применяют двустороннее прессование [13].

Так же применяют двустороннее прессование, если деталь сложной формы, имеющая переходы в плоскости сечения. Схемы двухстороннего прессования изображены на рисунке 8. При двустороннем прессовании усилие прикладывается к нижнему и верхнему пуансону. Пуансоны двигаются навстречу друг другу [2].

На первой схеме матрица закреплена неподвижно, давление прессования прикладывается к подвижным верхнему и нижнему пуансонам, длина рабочих ходов которых ограничена упорами. При реализации второй схемы нижний пуансон неподвижен, а матрица устанавливается на упругую подставку. Давление прессования прикладывается только к верхнему пуансону. В ходе прессования происходит перемещение матрицы вниз за счет силы трения уплотняемого порошка о стенки матрицы. Таким образом, происходит относительное перемещение матрицы и нижнего пуансона [13].

Рисунок 8 - Схемы двустороннего прессования:

а с неподвижной матрицей; б с плавающей матрицей

При изготовлении пресс-форм необходимо строго выдерживать допуски на размеры рабочей детали, они должны обеспечивать оптимальные зазоры между движущимися деталями. При назначении допусков используют 1-4 квалитеты точности. Шероховатость обработки Ra 0,025-0,012 [7].

Для обеспечения большей стойкости пресс-форм особую роль имеет выбор материала для матриц и пуансона с последующей назначенной термической обработкой.

Матрицы и пуансон простой конфигурации допускается изготовлять из углеродистой инструментальной качественной стали У8А, У10А. HRC 54-58.

Матрицы и пуансон конфигурации средней сложности - легированные инструментальные стали 9ХС, ХВ, ХГ. HRC 54-60.

Матрицы и пуансон конфигурации сложной и испытывающих высокие нагрузки - стали группы «штамповые», высокохромистые Х12М, Х12Ф. HRC 58-62. Для прессования твердых порошков используют ВК6.

При назначении режимов термообработки для пуансонов и матриц необходимо учесть, что твердость пуансона должна быть на 1-2 единицу HRC меньше твердости матрицы, чтобы не истерлись стенки матрицы [7].

В порошковой металлургии обычно используют гидравлические прессы (рисунок 9) с усилием от 40-100 кН до 100 мН. Прессы позволяют при малых скоростях получить изделия с большими габаритами, сложной формы, требующих большого усилия прессования.

Процесс прессования происходит продвижением деталей пресс-оснаски под действием плунжеров. Плунжеры передвигаются за счет масла, поступающего в рабочий и вспомогательный цилиндры [12].

Рисунок 9 - Схема гидравлического пресса верхнего давления:

1 - плунжер; 2 - крепящий рабочий цилиндр; 3 - стол; 4 - подвижная плита; 5 - верхняя неподвижная поперечина; 6 - колонны; 7 - гайки; 8 - цилиндр; 9 - выталкивающий плунжер; 10 - цилиндр обратного действия; 11 - плунжер



2.4 Спекание прессовок

С целью увеличения прочности спрессованное изделие подвергается термообработке или спеканию. Задача процесса спекания - увеличение прочности изделия и получение детали с определенными химическими и физическими свойствами.

После процесса прессования частицы порошка взаимодействуют между собой только механически, после спекания происходит диффузия атомов настолько плотно, что отдельные частицы порошка перестают существовать отдельно.

Особенности спеченного изделия:

- изменение размеров детали;

- упрочнение и изменение физико-механических свойств;

- изменение макроструктуры (изменение формы и размера зёрен, изменение количества пор) [2].

В однокомпонентной шихте спекание производится при температуре 0,6-0,9 абсолютной температуры плавления металла, если же шихта многокомпонентная, то температуры плавления основного металла.

В связи с тем, что при термических операциях температура процесса всегда ниже температуры плавления основного элемента, различают виды процессов спекания:

1. Спекание без образования жидкой фазы. Производится при спекании порошка чистого металла или при спекании порошков, которые не реагирует между собой.

При твердофазном спекании протекают следующие основные процессы: поверхностная и объемная диффузия атомов, усадка, рекристаллизация, перенос атомов через газовую среду. При нагревании прессовки увеличивается скорость протекания объемной и поверхностной диффузии. Атомы металла, расположенные на поверхности пор, имеют различную подвижность. Наименее подвижны атомы, расположенные внутри контактных участков частиц порошка, наиболее подвижны атомы, расположенные на выступах поверхности частиц. Вследствие различной подвижности атомов обусловлен переход значительного количества атомов к контактным участкам. Поэтому происходит расширение контактных участков и округление пустот между частицами без изменения объема при поверхностной диффузии. Сокращение суммарного объема пор возможно только при объемной диффузии. При этом происходит изменение геометрических размеров изделия - усадка. Усадка при спекании проявляется в изменении размеров и объема. На рисунке 10 приведена зависимость изменения усадки брикета от давления прессования.

Рисунок 10 - Усадка спрессованного порошка железа при 900°С при различном давлении:

1 400 МПа; 2 600 МПа; 3 800 МПа; 4 1000 МПа [13]

2. Спекание с образованием жидкой фазы. Происходит, когда температура процесса выше температуры плавления одного из компонентов.

Многие порошковые системы спекают в присутствии жидкой фазы, образующейся в результате плавления одного из компонентов или при образовании эвтектики. Примерами таких систем являются: Cu-Sn, Fe-Cu, Fe-P, Cu-Pb, Cu-Bi, Cu-Cd, W-Cu, Mo-Ag, Cr3C2-Ni, WC-Co, TiC-Ni и др.

Различают спекание с исчезающей жидкой фазой и спекание с жидкой фазой, присутствующей до конца изотермической выдержки. В обоих случаях количество жидкой фазы не должно быть чрезмерно большим, иначе спекаемая заготовка может потерять заданную форму.

При жидкофазном спекании система состоит из твердой, жидкой и газообразной фаз. Характерным для такой системы, как и при твердофазном спекании, является наличие поровых каналов, проявляющих капиллярные свойства. Если жидкость хорошо смачивает твердые частицы, то при этом происходит более интенсивное уплотнение, чем при твердофазном спекании.

Процесс уплотнения при жидкофазном спекании протекает по стадиям. Сначала идет вязкое течение жидкости, приводящее к перегруппировке твердых частиц, затем начинает действовать механизм растворение - осаждение и на заключительной стадии происходит образование жесткого скелета в условиях твердофазного спекания.

Формовки обычно спекают в среде защитного газа или в вакууме. Применение защитных газовых атмосфер и вакуума необходимо для предохранения порошковой формовки от окисления при нагреве, а также для восстановления оксидных пленок, которые всегда имеются на поверхности порошковых частиц. Окисление при спекании недопустимо, поскольку оно препятствует упрочнению порошковых тел и тормозит усадку.

Источником кислорода при спекании могут быть: кислород воздуха, пары воды в защитном газе, оксиды в спекаемом порошке и др. Металл не окисляется в газовой атмосфере в том случае, когда парциальное давление кислорода меньше упругости диссоциации оксидов этого металла при температуре изотермической выдержки. Поэтому особенно трудно защитить от окисления при спекании металлы с низкой упругостью диссоциации оксидов (алюминий, титан). Обычно применяемые защитные среды перед подачей в рабочее пространство печи дополнительно очищают от свободного кислорода, влаги и углекислого газа.

Для очистки от кислорода газ пропускают через трубку с медной стружкой или губкой, нагретой до 400-500°С. Можно обеспечить и более высокую степень очистки, пропуская газ через нагретый до 900-1000°С пористый ферромарганец, ферросилиций, или губчатый титан.

Водород пропускают через специальный аппарат с палладиевым катализатором, который обеспечивает взаимодействие кислорода с водородом при комнатной температуре и удаление кислорода в виде воды.

Углекислый газ удаляют, пропуская газ через водные растворы этаноламинов. Осушку защитных газов от паров воды осуществляют прокачкой газа через адсорберы с силикагелем или алюмогелем [13].



3 Разработка технологической инновации при производстве Самосмазывающихся подшипников скольжения

3.1 Антифрикционные материалы

В качестве инновационной деятельности, предложен выпуск самосмазывающихся подшипников скольжения.

Антифрикционные материалы (от латинского frictio - трение) - материалы, используемые в деталях машин (втулки, подшипники), работающие при трении и скольжении и обладающие в определенных условиях низким коэффициентом трения.

При изготовлении деталей узла трения, методом порошковой металлургии, необходимо оценивать целесообразность применения порошковых спеченных материалов. Это зависит от экономичности, объема производства, наличия, необходимых для производства, материалов и оборудования, а также условия работы (величина нагрузок, скорость скольжения, наличие смазки, рабочая температура и среда, режим работы, коэффициент трения, и конструктивные особенности узла трения).

К порошковым антифрикционным материалам предъявляются требования:

- низкий коэффициент трения;

- высокая износостойкость;

- достаточная статическая и динамическая прочность;

- большая теплопроводность;

- незначительное тепловое расширение [14].

Исходя из области применения, от антифрикционных материалов требуют определенных необходимых свойств. В пищевой промышленности, медицине и других условиях, где нежелательна смазка, применяют пару трения с внутренним хромированным кольцом. В сложных рычажных системах необходимо выдерживать большие нагрузки и удары, рекомендована сталь марки ШХ. Материалы, используемые во время работы в условиях вакуума и инертных газов, должны иметь низкий коэффициент трения в отсутствие жидкой смазки.

Основными группами антифрикционных материалов являются:

а) самосмазывающиеся антифрикционные материалы;

б) антифрикционные материалы на основе железа и меди;

в) антифрикционные материалы на основе металлополимеров [15].

Антифрикционные материалы широко применяются для изготовления подшипников скольжения, воспринимающих нагрузки, возникающие при работе механизмов, и обеспечивающих движение сопряженных деталей фиксацией. Возникающие при трении потери энергии должны быть минимальными.

Порошковые антифрикционные материалы позволяют получить низкий коэффициент трения за счет формирования специфической структуры и использования компонентов, которые можно совместить только при твердофазном спекании. Это позволяет получить уникальные характеристики таких материалов.

Поры на поверхности материала составляют 20-30% объема, 2/3 из них открыты во внешнюю среду. Наличие пор обеспечивает хорошую прирабатываемость и позволяет использовать для подшипников материалы, которые в компактном состоянии не обладают антифрикционными свойствами, например железо. Так же поры являются резервуаром для масла, с помощью которого создаётся эффект самосмазывания, что даёт возможность отказаться от подвода масла извне.

В пористом самосмазывающемся подшипнике, в состоянии покоя, смазка распределена равномерно по всему периметру зазора между валом и подшипником. Это достигается тем, что внутри пор постоянно действуют капиллярные силы, благодаря чему в начале движения подшипника в зазоре находится масляная плёнка, которая благоприятно влияет на условия работы механизма. На рисунке 11 представлена циркуляция масла в спеченном подшипнике [16].

Рисунок 11 - Циркуляция масла в пористом спеченном подшипнике:

1 - пористый спеченный материал; 2 - вал; 3 - поры заполненные маслом; а - вал не вращается; б - циркуляция масла при вращении вала; в - возвращение масла после рабочего процесса

Для изготовления антифрикционных материалов на основе железа в состав шихты вводят твердую смазку в виде графита.

Антифрикционные материалы на основе железа, меди и их сплавов получают путем ввода в состав порошковой смеси компонентов, которые снижают коэффициент трения и играют роль твердой смазки. При этом отпадает необходимость в сохранении высокой пористости и изделие можно спекать под давлением, что обеспечивает повышенную прочность.

Наиболее распространенной добавкой в такие материалы является графит в пределах 1…12% (чаще 1…4%). Сплавы системы «бронза-графит» часто называют бронзо-графитами. Коэффициент трения по стали для них составляет: для сплавов «железо-графит» - 0,07…0,09, для сплавов «бронза-графит» - 0,007…0,05.

В приложении 1 представлен маршрутный процесс изготовления антифрикционных железо-графитовых изделий. Получаемые заготовки подвергаются дополнительным операциям, в частности пропитка маслом и калибрование.

В таблице 4 приведены сравнительные характеристики эксплуатационных свойств некоторых антифрикционных материалов.

Таблица 4 - Сравнительные характеристики эксплуатационных свойств антифрикционных материалов [17]

Материал	Пористость, %	Плотность, г/см3	Твердость HB, кг/мм2	Предел прочности на растяжение, кг/мм	Средняя предельная нагрузка, кг/см2
Пористое железо	20	6,20	58	14	66,0
Железографит с 3% графита	23	6,00	40-60	12-19	110,0
Бронза ОЦС	-	8,82	60	15	45,0
Баббит Б-83	-	7,40	30	9	101,0

На основе таблицы 4 можно сделать вывод, что с добавлением в шихту компонентов типа графит, эксплуатационные свойства изделий увеличиваются.

Антифрикционные материалы широко применяются для изготовления подшипников скольжения, работающих при нагрузках, которые возникают при работе механизмов и машин. Так же подшипники скольжения обеспечивают движение сопряженных деталей конструкции с одновременной фиксацией их в осевом и радиальном направлении. Возникающие при этом потери энергии на трение должны быть минимальными [18].

3.2 Производственно-технологическая система изготовления пористых подшипников скольжения

Технологические операции изготовления пористых подшипников не имеет существенных отличий от традиционной технологии производства спеченных порошковых изделий и состоит из следующих технологических переделов: приготовление шихты, прессование, спекание, пропитка маслом, калибровка, контроль.

Для изготовления пористых подшипников можно использовать порошок железа, полученный любым способом, но необходимо руководствоваться его технологическими свойствами и экономической целесообразностью использования. Медь используют электролитическую, графит - карандашный.

Перед использованием металлические порошки подвергают отжигу, графитовый порошок - прокаливают в защитной атмосфере для удаления влаги (температура 850-1000°С, 1-2 часа).

Самосмазывающиеся антифрикционные материалы изготавливают на базе конструкционных металлов и сплавов на основе железа, меди методом свободного спекания. Спекание ведется таким образом, чтобы сохранить высокую остаточную пористость (15…30%). После спекания осуществляется операция пропитки изделия жидким смазочным маслом, которое в процессе работы будет поступать к трущимся поверхностям.

Широкое применение пористых подшипников обусловлено их уникальными свойствами и преимуществами перед литыми подшипниками:

1. Самосмазываемость.

2. Низкая стоимость.

3. Высокая степень прирабатываемости.

4. Низкий шум при работе.

5. Возможность применения при низких скоростях скольжения.

6. Возможность установки в наклонных и вертикальных подшипниковых опорах.

К недостаткам таких материалов и изделий относятся:

- неоднородная механическая прочность;

- необходимость периодического пополнения запаса смазки;

- относительно высокий коэффициент трения.

Основная область применения: крупногабаритные детали (втулки, вкладыши) сельскохозяйственной техники и горно-шахтного оборудования, работающие в условиях затрудненного технического обслуживания, подшипники скольжения, применяемые в производствах пищевой и фармацевтической промышленности [19].

Проведенный анализ и информационно-патентные исследования показали, что актуальна проблема оптимизации технологических параметров на этапах прессования и пропитки маслом пористых подшипников.

3.3 Инновационное решение на этапе смазывания пористых самосмазывающихся подшипников скольжения

Одной из проблем в работе подшипника скольжения является отсутствие смазки в начальный момент запуска.

В местах сильного полусухого трения под действием высокой температуры образуются места сваривания вала и втулки подшипника. Эти места сваривания вновь разрушаются, из-за чего более мягкий в сравнении с валом подшипниковый материал выкраивается.

Причиной этого является острая нехватка смазочного материала. Вызванное этим повышение температуры приводит к повреждениям от перегрева, которые часто сопутствуют образованию задиров на подшипниках.

...