Пермь °
56,98
62,04
Михаил Ведель
14.07.2016
Наш ответ «кулаку дружбы»: пермяк сконструировал «умное сверло»

Современная технология сверления с наружным подводом смазочно-охлаждающей жидкости и внутренним отводом стружки появилась ещё в 1942 году и с тех пор принципиально не менялась. Главная проблема этой технологии — уход резцовой головки в сторону от заданного направления. Худший вариант развития событий инженеры между собой называют «показать кулак дружбы»: когда сверло выходит сквозь стенку трубы.

Начальник инструментального управления «Мотовилихинских заводов» Михаил Ведель смог решить проблему, над которой как минимум последние 70 лет бьются лучшие умы всего мира. Он придумал управляемую сверлильную головку и с помощью единомышленников уже создал несколько рабочих образцов. На своё изобретение автор получил патенты России, шести стран Европы и США. В эксклюзивном интервью «МВ» он рассказал о принципе работы «умного сверла», трудностях, с которыми пришлось столкнуться его создателям, и перспективах использования изобретения, которое стало настоящим технологическим прорывом.

— Михаил Владимирович, расскажите, какую проблему решает ваше изобретение?

— Главная задача и главная проблема при глубоком сверлении — удержать сверло по центру. Даже когда мы дома сверлим деревяшку. А когда приходится сверлить заготовки длиной 10–12 м, сверло, по сути, ничем не поддерживается в детали.

Сверло для глубокого сверления представляет из себя трубу (стебель), на конец которой навинчена сверлильная головка. Стебель из-за недостаточной жесткости может изгибаться, провисать. Чтобы просверлить отверстие глубиной 10 м с отклонением от оси в 2–3 мм — надо очень постараться. И такое отклонение допустимо, поскольку более точных технологий у нас на сегодня нет.

— Даже за рубежом?

— Проблема увода сверла — общая для всех, и многие пытались её решить. Я работал главным инженером на производстве бурильных труб. Постоянно сталкивался с проблемой увода сверла. И мы пытались предположить, как сверлом можно управлять. Читали литературу. В своё время я сдал кандидатский минимум, занимался переводом иностранных научных работ по проблеме глубокого сверления. Для меня было откровением, что глубоким сверлением занимаются в Тайване, Швеции, Японии, Китае… А у нас последняя книга на эту тему вышла в 1988 году, и с тех пор в России этой проблематикой никто всерьёз не занимался. Автором последней книги «Обработка глубоких отверстий в машиностроении», выпущенной в 2010 году стал профессор Томского политехнического университета Сергей Васильевич Кирсанов, с которым мы периодически общаемся. Хотя за рубежом такие исследования выходят регулярно. Самое интересное, что даже специалисты, которые занимались этой проблемой в Советском Союзе, многие сегодня живут за рубежом.

Но, как правило, пути решения проблемы сводятся к исправлению уже готового отверстия. То есть сначала сверлят, как получится, а потом с помощью расточки выравнивают его. Таких патентов довольно много, лидеры тут Япония и Америка. Мы поставили себе более амбициозную задачу. Мы хотели сразу сверлить прямо. Или криво, но так, как нам надо. Мы решили придумать, как управлять сверлом.

Ведель (4)

— Можете в общих чертах рассказать принцип действия?

— Головка для глубокого сверления сверлит отверстие и тут же опирается на него своими твёрдосплавными направляющими. То есть результирующий вектор от всех режущих пластинок всегда прижимает сверло в одну сторону. Когда она вращается, направляющие тоже двигаются по кругу и центрируют сверло для дальнейшего сверления.

Мы же нашли зону, в которой можно влиять на поверхность отверстия. А если мы смещаем поверхность отверстия в сторону, то направляющие начинают уводить головку в нужном нам направлении. Мы вмонтировали в неё микрорезец, который корректирует отверстие перед направляющими, благодаря чему вся система начинает уходить в требуемую сторону.

scheme

— Звучит довольно просто, почему раньше никому в голову такое не пришло?

— Тут, наверное, помог общий научно-технический прогресс. Нам удалось решить целый ряд проблем, которые ещё несколько лет назад казались неразрешимыми, — просто технологий таких не было.

Мехатроника стала достаточно малогабаритной, что позволило установить её в корпус сверлильной головки. Размеры сверлильной головки достаточно ограничены — и наружные, и внутренние. При всей ажурности сверла нагрузки, которые воспринимают режущие головки, исчисляются сотнями килограммов — ведь им приходится вгрызаться в столб металла. При этом объём стружки в семь раз превышает объём выбранного материала. И эту стружку надо отводить, при этом охлаждая зону резания. Чтобы пропускать весь объём масла и стружки, которые образуются в зоне резания, сверлильная головка должна быть достаточно ажурной. А ослаблять её нельзя, иначе она потеряет прочность. Поэтому вся проблема была именно в том, что очень мало пространства, где можно разместить необходимую мехатронику.

голова_3

Но мы нашли место, рассчитали прочность, нашли самые малогабаритные привода. На первых головках у нас стояли американские и немецкие привода. Нам посчастливилось, что на тот момент их поставка в Россию не была закрыта, и мы успели их использовать при разработке. А сейчас мы ведём разработку использования приводов, которые производят у нас, в Питере.

Кроме того, для работы системы необходимы невероятные вычислительные мощности. У микрорезца, корректирующего поверхность зоны сверления, выдвижение — сотые доли миллиметра, и эту работу он выполняет на каждом обороте сверла. И деталь, и сверло вращаются навстречу друг другу. Скорость вращения достигает 600 и более оборотов в минуту. На каждом обороте надо рассчитать траекторию выхода микрорезца. Система должна понять, на каком угле поворота находится деталь, на каком инструмент, чтобы согласовать зону выхода резца. Потом рассчитать траекторию его выхода на каждый градус смещения. Мы пытались решить эту проблему с помощью самых современных промышленных контроллеров, но они не смогли справиться с этой задачей. Нам надо, чтобы всё работало на порядок быстрей. Пришлось создать, по сути, свой контроллер на базе самой последней разработки, к сожалению, американской. Но, по крайней мере, она работает на нас. И сейчас, поняв все параметры, мы можем применять последние российские разработки.

Михаил Ведель

— И где эта технология может пригодиться?

— При прямолинейном сверлении мы можем глубину увеличить в два раза и более — никто больше в мире так сверлить не сможет.

Существующая технология изготовления бурильных труб при длине от девяти метров подразумевает двухстороннее сверление. Сначала сверлим с одной стороны, потом переворачиваем трубу и сверлим с другой. Одно сверло куда-то ушло, другое куда-то ушло, и в результате они посередине сошлись как-то не совсем ровно. И у буровиков есть требование по допуску именно на этом центральном стыке. Отказавшись от демонтажа детали, переворота, установки, выверки и второго сверления мы упрощаем производственный процесс на 30% только потому, что просверливаем за одну установку.

Кроме того, мы можем увеличить длину труб. Сегодня нефтяники всё чаще заказывают длинные трубы, по 16 м. При их производстве мы тоже испытываем большие проблемы: сначала с одной стороны сверлим большим диаметром, а с другой — меньшим. А потом растачиваем, чтобы убрать все уступы. Это очень длительная технология. То есть чем длиннее труба, тем больше эффект от применения нашей технологии. Мы можем снизить трудоёмкость и в два, и в три раза.

голова_2

Плюс управляемое сверление. Если мы используем жёсткий стебель, то искривление отверстия мы можем делать только в пределах его упругой деформации, чтобы его не сломать. В перспективе мы предполагаем использование гибкого стебля. Согласно моим расчётам, это позволит сверло диаметром 50 мм развернуть в детали с радиусом в 1 м. Это на данный момент недостижимо ни одним из существующих способов сверления.

Если говорить о том, где надо сверлить непрямолинейно, то это могут быть артиллерийские орудия. Там свои законы: идеально прямой ствол никогда не будет точно стрелять. До сих пор эти параметры ствола никак не задавались. Они просто определялись как факт, и, исходя из этого, производилась дальнейшая сборка. Сейчас эти «неровности» можно задавать нормативно — именно те параметры, которые необходимы для повышения точности стрельбы.

Предполагаю, что возможно использование технологии управляемого сверления для производства контуров охлаждения реакторов на АЭС: мы сможем делать их с меньшим количеством соединений, что будет повышать их надёжность.

Сверление глубоких отверстий в некруглых заготовках (плитах, корпусах и т.п.), которые невозможно вращать, предоставляется особо сложным процессом. При использовании управляемого сверления технология значительно упрощается. По этой причине в России не делаются плиты для деревоперерабатывающей промышленности (пресса для ДВП, ДСП), крупные контейнеры для хранения отработанного ядерного топлива и т.п.

— А что по-настоящему нового можно сделать с помощью управляемого сверления?

— Новые, более совершенные технологии всегда развязывают конструкторам руки. Сегодня они создают свои изделия и параметры отверстий в них применительно к существующей технологии. Если они получат доступ к более совершенной технологии управляемого сверления, они и свои конструкции будут проектировать с её учетом.

— Сейчас у вас на руках куча патентов, несколько рабочих экземпляров. Как планируете распорядиться этим?

— В планах нет изготовления установки и её продажи. На первом месте должен стоять вопрос по отладке технологии, например, у нас на заводе. Зачем продавать свои компетенции, когда можно создать «Российский центр глубокого сверления» на базе нашего предприятия и позиционировать Россию как лидера в технологии?

Напоследок хотелось бы выразить слова благодарности тем специалистам, которые помогли создать данную систему: это Михаил Чащухин, который разработал, изготовил и испытал управляемую сверлильную головку, это Евгений Чернецов – который создал электронный «мозг» системы и ряд уникальных сопутствующих устройств.

Беседовал Алексей Бурков