Lib.ru/Современная:
[Регистрация]
[Найти]
[Рейтинги]
[Обсуждения]
[Новинки]
[Помощь]
Двенадцать с половиной, или Сказание о Заводе
Главный конструктор Завода А.Е.Ашкинази, канд. физ.-мат. наук Л.А.Ашкинази
(статья была написана и опубликована в 1995 году)
Жил да был завод...
...А на дворе стоял развитой социализм, в который "хороший хозяин собаку на двор не выгонит", половина продукции Завода шла военным, половина нам с вами. каждый шаг Заводу диктовали Министерство и Госплан, материалы и оборудование приходилось выбивать в Госплане и Министерстве... Ладно, мы не профессора из Гарварда, нам про это рассказывать не надо.
Поскольку Завод работал на военных, он знал, что такое качество, военная приемка, Военно-промышленная комиссия и т.д. и т.п., а так как он работал и на нас с вами, то знал, что кастрюли надо делать из дюраля, а не титана, ибо мы хотим подешевле. Под словами "Завод знал" имеется в виду, что знали люди, что был накоплен соответствующий опыт, навык мышления, конструирования и изготовления, что было в наличии оборудование и культура производства. Но для простоты будем говорить - "Завод знал", "Завод умел".
Так вот, Завод был достаточно велик, чтобы иметь возможность маневрировать в определенных пределах площадями и оборудованием, имел склады. имел под одной крышей множество разных технологических участков, очень много чем владел, а чем не владел, то мог раздобыть, так как обладал разветвленной сетью деловых связей с себе подобными и не очень подобными (и среди них - с научными учреждениями).
И наконец последний, совершенно философский, то есть малопонятный, тезис: он был Заводом, то есть некоторым единством, что связано, возможно, с руководством, которое имело какие-то идеи, хотело чего-то {кроме того, чтобы съездить в Италию), проявляло инициативу, за что бывало во времена не столь отдаленные бито, - единство поезда ведь создается и локомотивом, не так ли?
Несколько лет назад, когда начали уменьшаться военные заказы, Завод принялся искать применение своим мощностям. Отечественный гражданский рынок прокормить его не мог. Искать зарубежный - идея тривиальная, да только мало у кого это пока получается. Добыть заказ на Западе и выполнить его - это вам не нефтью торговать...
Вот тут и оказались важны все перечисленные выше особенности Завода. Широкий круг знакомств, в том числе с научно-исследовательскими институтами, имел следствие - среди них оказался Институт, у которого на Западе было имя, он и нашел заказ на часть электромагнитов для сверхпроводящего суперколлайдера SSC с энергией частиц 20 000 ГэВ, в котором Завод оказался соисполнителем.
Конкретно Завод должен был изготавливать для электромагнитов пластины. Казалось бы, задача вполне локальная - отштамповать сколько-то стальных пластин. Но особенность любого современного изделия в том, что, отражая общее стремление людей к совершенству, изделие и все его элементы выполняются настолько хорошо, насколько допускают современная наука и техника. Наличие современного оборудования и привычка работать с соблюдением высоких требований к качеству обусловили техническую возможность, а большой размер Завода, наличие площадей, возможность маневра ресурсами - организационную возможность выполнения задачи. Был опыт работы на рынок и поэтому умение считать деньги, - а без этого с инозаказчиками не стоит и визитными карточками обмениваться. (Между прочим, тот же заказ был предложен и другому, почти чисто военному предприятию. Но оно запросило больше...) Оказалось важным и то, что на Заводе было много разных производств, разных технологий под одной крышей, а широкий круг знакомств позволил быстро найти, где можно делать то, что не имело смысла делать самим. Наконец, оперативное руководство, умеющее мобилизовать коллектив, и коллектив, который оказалось возможным мобилизовать.
Некоторые сведения об ускорителях и их магнитах
О том, какие бывают элементарные частицы, мы рассказывать не будем. Популярных статей на эту тему немереное количество; да и понятно - люди хотят знать, из чего все сделано. Изучают частицы таким немного странным способом: бьют по ним посильнее и смотрят, что разлетается. Как вы понимаете, осколков будет больше, если то, что летит, налетит не на стену, а на частицу такой же массы, летящую с такой же скоростью навстречу. Поэтому большинство современных ускорителей - это ускорители на встречных пучках, или коллайдеры. Либо электрон-позитронные, либо протон-антипротонные. В них по ускорительному кольцу вращаются навстречу друг другу сгустки электронов и позитронов (соответственно - протонов и антипротонов).
Энергия частиц, достигаемая в ускорителе, ограничена потерями энергии ускоряемых частиц. Потери энергии за один оборот прямо пропорциональны четвертой степени энергии, обратно пропорциональны радиусу орбиты и обратно пропорциональны четвертой степени массы. Поэтому увеличивать энергию ускоряемых частиц очень трудно, имеет смысл увеличивать радиус ускорительных камер и поэтому получать протоны высоких энергий легче, чем электроны.
Какие же циклические ускорители со встречными пучками ускоряют частицы до наибольших энергий? Из электрон-позитронных - ускоритель LEP в ЦЕРНе до 2-50 ГэВ,TRISTAN в Токио до 2-30 ГэВ, единственный высокоэнергетичный электрон-протонный ускоритель HERA на 30 ГЭВ и 800 ГэВ соответственно. В Чикаго имеется коллайдер TEVATRON, ускоряющий протоны и антипротоны до 1000 ГэВ. В Серпухове - ускоритель протонов на 70 ГЭВ и строится ускорительно-накопительный комплекс (УНК) с энергией протонов 600 ГэВ (и возможным последующим развитием до 3000 ГэВ).
Задача создания ускорителя разделяется на много других, помельче. Посмотрим на одну из них.
Двигаться по окружности частицы заставляет магнитное поле. Чтобы пучок не сбился с необходимой траектории, поле должно поддерживаться с точностью около 0,05%. Магнитное поле обратно пропорционально зазору в электромагните. Пусть размер зазора 50 мм - тогда точность соблюдения этой величины должна составлять 25 мкм. У зазора есть две стенки, верхняя и нижняя. Точность каждой должна быть 12,5 мкм. Из чего состоят эти стенки? Электромагнит ускорителя собирают из стальных пластин. Толщина пластин - десятые доли или единицы миллиметров, максимальный размер - около метра, форма - разнообразная. Точность соблюдения контура - как уже указывалось, 12,5 мкм, четверть диаметра волоса. Ограничиваются и размеры заусенца, получающегося при штамповке, но об этом позже.
Пластины должны быть изолированы друг от друга - по той же причине, по которой изолированы пластины в любом трансформаторе. При изменении направления тока в обмотках (например, в бытовом трансформаторе оно изменяется 100 раз в секунду) в сердечнике тоже возникают токи, никому не нужные, зря нагревающие сердечник и увеличивающие потери. Изоляция должна быть радиационностойкая (как и все, что будет находиться в ускорителе или около него), тонкая (около 10 мкм), чтобы не уменьшать коэффициент заполнения магнита, и высокоомная. Нормируются, и очень жестко, магнитные параметры стали, из которой сделаны пластины.
Пластины складывают в пакет, при этом они должны ложиться с той же точностью, которая указана выше. Собирается несколько тысяч пластин, то есть длина магнита получается несколько метров (весь ускоритель содержит несколько тысяч таких магнитов). Пакет стягивают и превращают в единое целое, затем на него устанавливают катушку. Потом следует окраска, упаковка, транспортировка. Причем в проблему превращается все. Ну, например, такие грузы нельзя перевозить в обычной таре, доверять грузить обычным нашим грузчикам. Разрабатывают специальную тару и организуют отправку со специальной товарной станции, с которой отправляют взрывчатку и боеприпасы. Магнит, конечно, не взрывается, но если его грузить, как дрова, то от точности ничего не останется.
Еще немножко по поводу этой самой точности. Как-то раз, на некой выставке, японская фирма демонстрировала весьма впечатляющую вещь - стальной шар, настолько хорошо подогнанный к трубе, что он падал по ней примерно сутки. Именно за это время через щель выдавливается воздух... Посетители замирали, пристально глядя на висящий в стеклянной трубе "ни на чем" многокилограммовый шар. Так вот, зазор между шаром и стенкой был у японцев того же порядка, что требуется в магните ускорителя, а сделать такую пару - труба плюс шар - несколько проще, чем миллион пластин.
Как вы понимаете, разговор о 12,5 мкм и всем прочем мы вели неспроста.
Пришлось...
..подметать в цехах, и не только подметать. Устанавливать перегородки между разными агрегатами. Обучать рабочих. Вводить очистку от пыли воздуха в цехе, это в машиностроительном! Вам не смешно? Если смешно, можете на факс и электронную почту не тратиться. А еще вводить пооперационный контроль и паспорта на все изделия, в которых отражались результаты контроля, причем контроля не только самого изделия, но и полуфабрикатов, исходных материалов и даже той плавки металла, из которой отлит тот материал, из которого прокатан тот лист.
Далее по требованию заказчика пришлось представить схему подчиненности и взаимосвязи всех сотрудников Завода, кто имел отношение к заказу, причем наложенную на схему движения деталей, то есть в документации должно быть записано не "образец после штамповки передается в лабораторию для измерений", а "образец после штамповки передается рабочим А. в лабораторию контролеру Б. для измерений". И вообще во всех документах все были названы пофамильно: контролер Б. производит измерение в соответствии с инструкцией такой-то, сообщает результат инженеру В., который принимает решение о допустимости полученной погрешности и дает указание рабочему Г. на продолжение штамповки или сообщает начальнику цеха Д. о необходимости перешлифовки штампа - вот так!
Желание заказчика знать фамилии рабочих, делающих ту или иную операцию, - не прихоть, а часть системы. Когда, например, заказчики приехали на Завод, они, в частности, сфотографировали около установки для электроэрозионной обработки штампа тех рабочих, которые на ней работают. После рабочие приходили к главному инженеру проекта и обеспокоенно спрашивали: "А чего они это?
Стоит та установка в отдельном помещении, на специальном полу, среди теплоизолирующих стен без окон. Установка швейцарская, режут на ней российские мастера сталь толщиной 50 мм с точностью около +2 мкм и получают штамп, которым штампуют с точностью +12,5 мкм пластины для магнитопровода крупнейшего в мире американского ускорителя. А зачем термостатированная комната? - спросите вы. Да дело в том, что при изменении температуры на 0,2 ®С изменение длины штампа как раз съест весь этот допуск. Такая технология и такие мастера - это честь фирмы, ее визитная карточка. Поэтому и фотографировали. Мы к этому пока не приучены...
Конкретно Завод должен был изготавливать для электромагнитов пластины. Казалось бы, задача вполне локальная - отштамповать сколько-то стальных пластин. Но особенность любого современного изделия в том, что, отражая общее стремление людей к совершенству, изделие и все его элементы... (см. выше).
Проблемы, с которыми встретился завод...
...можно разделить на три группы: связанные с параметрами исходных материалов; связанные с большим количеством изготовляемых деталей; связанные с высокой точностью деталей.
Эта часть статьи самая большая - ибо в любой серьезной работе больше всего проблем. Кому хочется получить сразу эпилог - на последнюю страницу. А мы начнем с первой группы проблем - с параметров исходных материалов.
Вот, скажем, железо. Ясно, что для железа электромагнитов важнейшие параметры - магнитные. Они зависят от химического состава и термообработки. Стали того химического состава, которую предлагали применить американцы, у нас нет. Нашлась другая, другого состава, но с нужными магнитными характеристиками. Заказчик испытал эту сталь по 37 (!) параметрам и согласился. Заметим, что марка стали, удовлетворяющая требованиям, нашлась ровно одна. Повезло.
Впрочем, при более тщательном изучении стали оказалось, что магнитные свойства металла из разных рулонов не совсем одинаковы. Решили контролировать каждый рулон, а при сборке магнитов брать пластины из четырех разных рулонов - для усреднения параметров. Понятно, как это усложняет сборку, транспортировку и другие операции.
Был и еще один пикантный момент. Завод-изготовитель стали гарантирует соблюдение ГОСТа. По ГОСТу некоторый магнитный параметр должен составлять некоторую величину. А в реальности он лучше; и это лучшее значение удовлетворяет заказчика, а значение в ГОСТе - нет. Можно предложить заводу-изготовителю ужесточить нормируемые параметры. И хотя это практически не потребует от них дополнительной работы, они запросят деньги, и немалые. Решили брать, что дают, и контролировать самим.
Следующая проблема, относящаяся к исходным материалам, касалась изоляции пластин. Большое сопротивление от изоляции не требуется, но уж очень плоха ее геометрия. Пусть толщина изоляции 10 мкм, а площадь 1 м2. Если мы берем, к примеру, изоляцию с объемным сопротивлением 1010 Ом см, что совсем немало, то сопротивление тонкого (10 мкм) слоя большой площади {1 м2) оказывается слишком мало: 1010 Ом см 10 мкм: 1 м2 = 1000 Ом. Возможны три типа решений: использовать сверхтонкие полимерные пленки, укладываемые поверх всего стального листа; покрыть лист электроизолирующими лаками; и, наконец, окислить его поверхность, использовать в качестве изоляции слой оксида.
Покрыть лист таким тонким слоем лака трудно. Завод нашел субподрядчика, располагающего оборудованием, на котором можно покрыть, но... стальной лист другой толщины, а перерегулировка оборудования настолько сложна, что предполагаемый субподрядчик от работы отказался.
С пленкой тоже не все просто. Во-первых, пленка толщиной 10 мкм - это само по себе проблема. Во-вторых, ее надо положить на сталь так, чтобы не было ни единой морщинки и ни единого пузырька воздуха. В-третьих, она должна к стали прилипнуть и держаться на ней так, чтобы не отлипнуть при дальнейших операциях (штамповке, транспортировке, сборке сердечника).
Окисление - вообще процесс хитрый. Оксидов железа несколько, решетка оксидов может получаться нестехиометрическая, с внутренними напряжениями. Вдобавок в стали есть кремний, он тоже окисляется. Какой именно оксид растет, зависит и от температуры окисления, и от времени, и от газовой среды. Причем режим окисления может быть многостадийным - сначала при одной температуре, потом при другой, сначала на воздухе, потом в чем-нибудь другом. В итоге, когда покрытие на стали, присланной как образец заказчиками, показали специалистам по рентгеноструктурному анализу, они сказали лишь, что это оксиды. Но какие именно, сколько - увы... А даже точно зная состав и структуру покрытия, определить нужный для его создания режим вовсе не просто. Но оказалось, что покрытие, получаемое путем окисления стали (не чисто оксидное) на заводе-поставщике тоже удовлетворяет требованиям и по толщине, и по сопротивлению. Правда, цвет у него не такой, как у американского, но про цвет в техническом задании ничего не сказано. Послали нашу сталь с нашим покрытием заказчикам, и они согласились на ее применение.
Но изготовить пластины и покрыть их - еще не все: их надо довезти в сохранности до места сборки магнита. Пластины уложили стопкой, чередуя их с прокладками из бумаги, и повезли. Привезли, разобрали - а пластины-то бракованные! На покрытии - вмятины. Оказалось, что в бумаге есть твердые включения, которые под воздействием огромного веса пластин продавливают покрытие. Выяснили, что не во всех стандартах на бумагу (их несколько) оговорено, какие могут и каких не может быть в ней включений, то есть вроде бы можно и полено оставить в бумаге. В самом деле, раз в папиросах и в чае попадаются куски размером со спичку, то почему не может их быть в бумаге? В тех же стандартах, в которых включения оговорены, указан их цвет, но не указана твердость... Далее оказалось, что бумагу надо укладывать ровно, без складок, обязательно целыми листами - нельзя положить, например, две половинки листа. Там, где будет двойная толщина бумаги, как и там, где будет складка, покрытие деформируется...
Между прочим, и тару для транспортировки пришлось делать специальную.
Теперь о проблемах, связанных с количеством. Наштамповать пластин надо четыре с половиной миллиона (и еще какие-то мелочи - десятки тысяч). О том, что в штампах пришлось усиливать пружины, которые не выдерживали такой работы, не стоит и говорить. Главное - износ самого штампа. Существует оптимальная сталь, оптимальная термообработка и так далее. Но если все это соблюсти, все равно наштамповать нужное количество пластин не удается. Штамп надо перешлифовывать, понижать рабочую поверхность, обнажая новую режущую кромку. После каждой перешлифовки штампуют контрольные пластины, проверяют их, и только после проверки штамп паспортизуют и можно продолжать штамповку пластин для магнита.
Американцы умеют считать денежки. Например, они запросили схему раскроя стальной полосы, чтобы проверить, не заказывают ли наши инженеры лишний материал. Может быть, именно потому они и богатые, что умеют считать? Для особо придирчивых сообщаем: выяснилось, что ничего лишнего у нас не заказывают.
Третья группа проблем - проблемы точности. Форма пластины определяется штампом - точностью штампа и механизмом штамповки. Как бы точно ни был сделан штамп, при штамповке он заминает край листа и одновременно с обрубанием вытягивает его. При обычной схеме штамповки ширина заминаемой зоны около 0,5% толщины листа. При листе толщиной 0,5 мм это 2,5 мкм - немного по сравнению с допуском 12,5 мкм. Размеры штампа задаются электроэрозионной резкой. Стальную плиту толщиной 50 мкм погружают в жидкость, к плите приближается тонкая проволока, между ней и плитой прикладывается напряжение, и микроразряды начинают разрушать плиту. Проволока движется и вырезает штамп. Между прочим, нормировался не только собственно размер пластин, но и высота заусенца (не более 50 мкм), и его расстояние от края (высшая точка заусенца может отстоять от края примерно на 80 мкм), и размер плоской части торца пластины (не менее половины толщины листа - 0,25 мм).
Машина для электроэрозионной резки, однако, не может резать штамп целиком - уж очень он велик. Делают составной штамп и сочленяют его части (при этом требования к точности частей и точности узла сочленения возрастают}. Вы спросите, почему не купить такую машину, чтобы вырезала сразу весь штамп? Да просто потому, что таких машин нет.
Теперь о проблеме самих измерений. Чтобы измерить метровую стальную пластину с указанной выше точностью, надо иметь не линеечку или рулеточку, а целый агрегат, который и называют соответственно - измерительной машиной. Так вот, в нашем случае нужна измерительная машина, способная измерять с точностью 1-2 мкм. Таких машин немного, эксплуатация их сложна. Измерения были проведены на трех машинах, и все три дали несколько различающиеся результаты. В конечном счете результаты удалось согласовать, и необходимая точность была достигнута. Но для этого пришлось пластинам летать к заказчикам за океан и ложиться на стол их измерительной машины. После сопоставления
данных измерений общий язык был найден.
По ходу дела обнаружилось, что некоторые участки пластин изготовлены заводом точнее, чем показали измерения. При определении размеров контур детали обходится щупом, и машина фиксирует момент касания щупом детали. Как если бы вы ночью определяли положение стенки, зондируя темноту в комнате головой. Разница в том, что человек ощущает, какой частью головы он "прозондировал" стену, а машина не знает, какой частью щупа она коснулась детали. Получается так, что вы, приближаясь к косой стене, коснулись ее виском, а думаете, что лбом (как будто стена расположена поперек вашего движения). В результате измерительные машины, которые работают по этому принципу, неправильно определяют положение наклонных частей контура детали.
Оказывается, заказчик может быть и строгим, и придирчивым, и вполне допускать обсуждение, и даже иногда соглашаться с доводами исполнителя. Конечно, начинать выполнение заказа со споров не рекомендуется. Момент, когда возражение, контрпредложение или спор уже не вызовут потери заказа (ведь, правда, проще передать заказ фирме, которая не спорит?), определить довольно сложно. Он наступает тем раньше, чем с меньшей и менее бюрократизированной инофирмой вы работаете, чем успешнее вы сделали уже часть заказа, чем лучше вы себя зарекомендовали.
Итак, что мы имеем сегодня?
Шумная московская улица, чередование продуктовых и шмоточных магазинчиков, пивной ларек и лужа перед ним, а напротив, за сквером, в глубине территории, научились штамповать метровые стальные пластины с точностью в плюс-минус четверть толщины волоса. Между прочим - обратите внимание - научились уже сейчас. На нынешнюю ситуацию можно реагировать по-разному. Можно вырывать из бюджета тяжело больной страны еще десяток триллионов на мундиры, можно сдавать помещения коммерческим организациям, а можно реагировать и так, как этот Завод.
Работа шла, трудности возникали и преодолевались, но в один не очень прекрасный для нас лень Конгресс США закрыл проект суперколлайдера SSC, и президент Клинтон таковое решение утвердил. На этот вид любопытства таких денег сегодня у человечества не нашлось. Может быть, найдутся завтра.
А что сегодня? Большую часть работ, выполненных Заводом и Институтом, американский
заказчик оплатил. По-видимому, оплатит и остальные. Опыт же организации такого производства, по таким требованиям, с такой системой отчетности, с таким контролем - этот опыт бесценен. Чему-то научились от нас и американцы, но об этом пусть напишут они.
Попутно - это лучший ответ тем, кто пытается возбудить страсти воплями о том, что Запад пытается поработить Россию, подчинить, завоевать, превратить в придаток и т.д. и т.п. С теми, кого собираются поработить и превратить, опытом не обмениваются.
При освоении чьей-то разработки (в том числе лицензионной продукции) и при работе по чьему-то проекту опыт приобретается всегда. Даже в тех - наиболее распространенных случаях, когда владелец лицензии прячет часть ноу-хау или предлагает к освоению
не последнюю модель.
Например, один московский завод осваивал производство газовой плитки по испанской лицензии. Но самую интересную ее часть - катализатор для удаления СО - заказчик, как он сообщил, будет загружать в готовую плитку сам, уже у себя. Жалко, конечно... но заказ был хорошо оплачен, полезен с точки зрения загрузки предприятия и сохранения рабочих мест и, наконец, с точки зрения приобретения опыта.
Другой пример относится к бакинскому заводу кондиционеров. Завод осваивал производство кондиционеров по японской лицензии. Давалось это с большим трудом - слишком уж сильно различались стандарты, марки материалов, нормы конструирования, традиции. Первую партию делали частично из японских материалов и полуфабрикатов. В итоге освоили и начали выпуск. А через год японцы - бац! - выпускают на рынок новую
модель. Естественно, в полтора раза меньше, во сколько-то раз лучше. А вы что, хотели, чтобы они вам дали самое новейшее? Ничего, остался и бакинцам огромный рынок - весь бывший СССР и весь третий мир...
В открытом конкурсном состязании с пятью крупнейшими фирмами Европы Завод получил заказ на магниты для нового немецкого ускорителя ВESSY для источника синхронного излучения. Правда, он далеко не такой большой, как суперколлайдер SSC, но требования к точности еще выше.
Авторы благодарят за полезные критические замечания директора Завода и директора Института.
Связаться с программистом сайта.
