Сталь 12Х13, 2 - сплав НИВКО-10, 3- серый чугун, 4 - сплав нитинол, 5 - алюминиевоникелевая бронза, 6 - марганцевомедный сплав Г75Д25, 7 - магниевый сплав.

 

Для применения сплава Г75Д25 в стальных шаровых пробках необходимо решить задачу его размещения внутри самой шаровой пробки. Ресурсом для этого может служить неиспользуемое до сих пор пространство между сферической и цилиндрической частью пробки, рис.15.

 

Место для установки вибродемпфирующей вставки.

 

Рис. 15. Место для размещения вибродемпфирующих вставок из сплава Г75Д25

 

По ИКР для продукта и компании это должен быть некоторый способ получения центробежных отливок. По ИКР для потребителя это должна быть шаровая пробка, имеющая наименьшее количество изменений по сравнению со стандартно-используемой.

 

Для получения прообраза решения были проанализированы возможные способы получения центробежнолитых заготовок шаровых пробок. С учетом методик 3 - Совершенствование технологических процессов, основной операцией должно было стать свертывание технологического процесса. Главным способом при этом было принято свертывание механических видов обработки. Большинство видов стандартной мехобработки предлагалось заменить изготовлением новых видов центробежнолитых заготовок.

 

Прообразом решения стало использование трубных кокилей с заполнением их кокильными вставками, формирующими шаровую пробку. Для получения вставок из марганцевомедного сплава в стальных шаровых пробках предлагалось изготавливать заготовки этих вставок заранее на центробежнолитой машине и после разрезки и обработки заключать в стальные стаканы с той же температурой плавления, что и основного сплава. Стаканы должны будут устанавливаться в кокильные вставки, формирующие шаровые пробки и заранее балансироваться.

 

Более сильным вариантом по мнению экспертной группы могла бы стать вставка из сплава Г75Д25, на которую бы наливался бы состав, контактирующий с абразивной средой. Это решение, направленное на характерную для работы шаровых кранов ударно-абразивный износ, позволило бы эффективно гасить возникающие в противоабразивном слое, имеющем высокую твердость и хрупкость, упругие волны. Как правило, упругие волны в хрупком материале приводят к разрушению материала еще до начала износа.

 

В предлагаемом решении максимальный доступный объем материала в шаровой пробке может быть заполнен вибродемпфирующим сплавом и этим способствовать максимальному снижению вибропроводимости, а также в большей степени исключению трещинообразования в хрупком противоабразивном слое.

 

Прообраз решения представлен на рис. 16.

 

Упрочненная часть

Наружная часть пробки

Вибродемпфирующая вставка

Противоабразивный слой

Проточная часть

Рис. 16. Прообраз решения по новой конструкции шаровой пробки

 

Альтернативным вариантом служил переход на сплавы, выделяющими марганцево-медную фазу при кристаллизации в примерном содержании, характерном для вибродемпфирующего сплава Г75Д25. В этом случае формировалась бы анизотропная структура, где в осях дендритов был бы состав, характерный для металлической матрицы сплава, а в междендритных участках, благодаря ликвации, были бы марганцево-медные области, способные работать как вибродемпфирующие элементы. Некоторое упрощение решения могло быть достигнуто при применении пористой структуры основного материала, которую можно было бы установить как вкладыш в пробку и пропитать ее марганцево-медным сплавом. В этом случае вся внутренняя область пробки могла бы работать как единая вибродемпфирующая конструкция. Это решение предсказывал закон перехода на микроуровень.

 

Для повышения эффективности и свертывания максимального количества операций по дальнейшей обработке предлагалось использовать облицовку кокиля, способную обеспечить максимальную гладкость поверхности, практически до припусков шлифовки и одновременно обеспечить несколько альтернативных вариантов подготовки сферической поверхности для упрочнения. Варианты упрочнения представлены ниже:

 

Вариант 1. Предлагалось на облицовку вводить упрочняющие легирующие элементы или упрочняющую фазу, способную диффундировать в расплав в поверхностной части будущей шаровой пробки. После отливки, в связи с малыми припусками на мехобработку, получаемыми при использовании соответствующих облицовок, и обеспечивающими минимальную шероховатость, предлагалось проводить только операции шлифовки и полировки.

 

Вариант 2. Предлагалось использовать технологический эффект, характерный для центробежного литья, а именно: способность самоочистки кристаллизующегося расплава от включений и загрязнений, особенно медистых. В этом случае глубина последующего азотирования может быть резко увеличена. При увеличении глубины азотирования при тех же параметрах может быть сокращена длительность химико-термической обработки или значительно повышена глубина азотирования. Это, в свою очередь, создает возможности для более полного использования шаровой пробки, например, использовании большего количества ремонтных размеров.

 

Центробежную отливку с армированием марганцево-медными вибропоглощающими вставками и плакирующим износостойким слоем на проточной части шаровой пробки предлагалось проводить в два этапа:

Этап 1. Заливка основного сплава (стали) в соответствии со спецификацией производителя арматуры. Заливка основного состава обеспечивала бы формирование шаровой пробки и проливку закладки из марганцево-медного сплава с его прочным удержанием в стальной матрице.

Этап 2. Полученную пролитую матрицу предлагалось доливать износостойким сплавом для исключения (свертывания) трудоемкой операции наплавки.

 

Для повышения производительности предлагалось использовать облицовочную футеровку кокиля и профилирование шаровой пробки на футеровке кокиля при помощи накатного ролика, хорошо освоенного производителями центробежнолитых заготовок.

 

Таким образом, обеспечивается максимальное поглощение вредных динамических сил потока, возникающих при его пульсациях. Длинные кокили с кокильными вставками и вкладышами из марганцево-медного сплава, а также отливка биметаллического расплава с износостойким слоем для формирования противоабразивной проточной части шаровой пробки должны были резко уменьшить протяженность технологического процесса и обеспечить значительную экономию. Дополнительные возможности, предоставляемые возможностью поверхностного легирования (вариант 1) или самоочистки расплава (вариант 2) создавали бы возможности для еще большего свертывания технологического процесса, уменьшения трудоемкости и длительности технологического процесса и повышения потребительской ценности предлагаемого нового решения.

 

В качестве результата можно было ожидать снижение материалоемкости, трудоемкости и, соответственно, себестоимости шаровой пробки с повышением ее потребительских свойств, в частности, снижения общей виброактивности шарового крана и уменьшение количества случаев усталостных, акустических разрушений и выхода из строя по причине недостаточной стойкости конструкции против вибраций.

 

Основным полем для развития идеи и предложения на рынке стали требования многих ведущих инжиниринговых компаний по включению повышенных нормативов, связанных с сопротивлением материала вибрации и усталости, а также развития законодательства об охране труда. Одним из направлений борьбы с вибрацией в настоящее время является уменьшение вибропроводности и исключение вибрации в источнике вибрационной активности.

 

На рынке решений по снижению виброактивности арматуры при помощи применения вибродемпфирующих материалов не обнаружено, хотя решения, обеспечивающие снижение виброактивности арматуры, распространены и весьма востребованы.

 

Предлагаемые решения были оценены на соответствие инновационной стратегии предприятия по критериям, оценивающим способности предприятия реализовать данный инжиниринговый проект. Рассмотрены варианты:

А. Центробежная отливка биметаллической заготовки основного металла и стеллита с дальнейшей механической обработкой и обточкой под сферу.

В. Центробежная биметаллическая отливка в кокильные вставки с получением сферической поверхности

С. Центробежная отливка с включением стальных стаканов с предварительно отлитым в них вибродемпфирующим сплавом

D. Центробежная отливка в кокильные вставки по схеме:

Предварительный этап - подготовка кокильных вставок с нанесением облицовки из карбидов вольфрама или других упрочняющих элементов для поверхностного легирования отливки.

Основной этап - центробежная отливка.

1. установка вкладыша

2. заливка основного сплава

3. заливка стеллита или противоабразивного сплава.

 

Данные оценки были сведены в табл. 2.

 

Табл. 2. Стратегические варианты развития нового продукта и их оценка по критериям приемлемости для предприятия

Варианты   Критерии     Соответствие Осуществимость Приемлемость А Соответствует по критерию удешевления литья и снижения рисков дефектов при литье Осуществимо без изменения технологии Приемлема. Не вызывает трудностей в производстве и продажах В Соответствует по критерию относительного снижения материалоемкости и трудоемкости. Наиболее реализуема для низкобюджетных поставок. Приемлема, но требует опробывания С Соответствует по возможностям ЛМЗ с использованием его сборочных и механообрабатывающих мощностей Требует изменения подходов внутри компании, в частности, потребуется переход на работу по отдельным технологическим участкам. Возможна при специализации производства под изготовление шаровых пробок D Соответствует с использованием технологического преимущества ЛМЗ и использования всех его способностей Осуществима, однако, потребует значительного времени и настройки производства Требует дальнейшего развития, однако, перспективна в долгосрочной стратегии ЛМЗ

 

Все четыре стратегических варианта развития продуктовой линии "Шаровые пробки" в ЛМЗ могут быть реализованы в обозримой перспективе. Учитывая значительное количество производителей шаровых пробок, выполняющих их из простых материалов и трубного проката, реализация варианта А не представлялась конкурентоспособной. Вариант В создает незначительную потребительскую стоимость, а вариант D может потребовать значительных и долгих испытаний, хотя все элементы технологии осуществимы при приемлемых затратах на доработку технологии с привлечением научно-исследовательских организаций.

 

По результатам анализа экспертной группой был выбран вариант С, как имеющий достаточную перспективу для коммерциализации и приемлемые технические и коммерческие риски для предприятия.

 

ШАГ 9. ФОРМИРОВАНИЕ ПРИНЦИПИАЛЬНОГО РЕШЕНИЯ

Для уменьшения значительных изменений в конструкции и с целью облегчения внедряемости решений, оптимально использовать существующие конструкции центробежных отливок и имеющуюся технологию. В связи с этим экспертной группой было выделено решение, где профилирование внешней поверхности шаровой пробки могло бы производиться при помощи накатного ролика, рис. 17.

а) б)

Рис. 17. Устройство для накатки форм на токарном станке в кокильную вставку (по Юдину Центробежное литье, М. Металлургия, 1973, стр. 126)

а) устройство для накатки:

1 - шпиндель, 2 - планшайба, 3 - обечайка, 4 - гильза, 5 - накатное устройство, 6 - вал, 7 - фланец, 8 - накатной ролик, 9 - стальной диск, 10 - маховик управления суппорта, 11 - фиксатор, 12 - каретка суппорта, 13 - вставка.

б) форма, подготовленная для накатки: