Измерения, исследование материала и подготовка документации на примере деталей оборудования Архангельского ЦБК.

Рис. 1. Примеры моделей, документации и расчётных материалов инженерных работ.

Восстановить деталь, а не её износ

Отказ небольшой детали на целлюлозно-бумажном комбинате может остановить дорогостоящее оборудование. Когда оригинальные чертежи недоступны, а нужную комплектующую сложно приобрести, исходными данными для изготовления замены становится сам образец.

Именно такую задачу решает реверс-инжиниринг, или обратное проектирование. По детали восстанавливают её геометрию, определяют материал и готовят документацию для производства. При этом бывший в эксплуатации образец нельзя копировать буквально: вместе с полезной формой в новую модель могут перейти износ, деформации и повреждения. Инженеру необходимо отделить их от исходных конструктивных признаков и разобраться, как деталь работает в узле [1–4].

Точность внешнего контура — это лишь часть задачи. Для работоспособного аналога важны также сопряжения, свойства материала и технология изготовления. Поэтому измерения, построение модели и исследование материала рассматривают совместно, а результат проверяют до передачи документации в производство [2, 3, 5].

От измерений к конструкторской документации

Работу начинают с обмера образца. Простые поверхности можно описать обычными измерительными средствами; для сложной пространственной формы используют 3D-сканирование. В рассматриваемых работах применялись сканеры FreeScan UE Pro и RangeVision Pro. Данные сканирования служили основой для восстановления геометрии.

Рис. 2. Общая схема обратного проектирования. Документацию уточняют по результатам выбора материала и инженерной проверки.

Далее данные очищают и совмещают, после чего строят CAD-модель. Для обработки геометрии и проектирования использовались Siemens NX и КОМПАС-3D. В модели восстанавливают оси, плоскости, цилиндрические поверхности, отверстия и сопряжения. Неровности, появившиеся из-за сканирования или износа, не должны автоматически становиться элементами новой конструкции.

Такую обработку называют идеализацией геометрии. Её смысл — получить модель, по которой можно изготовить деталь, а не просто сохранить цифровой отпечаток образца. Особое внимание при этом уделяют присоединительным размерам и совместимости с остальными элементами узла [1–5].

Выбор материала и расчётная проверка могут потребовать корректировки модели. Окончательный комплект конструкторской документации формируют с учётом этих решений. Изготовление и испытания опытного аналога — следующий этап; наличие CAD-модели само по себе ещё не подтверждает работоспособность новой детали.

Детали для Архангельского ЦБК

В ходе работ, выполненных совместно с АО «Архангельский целлюлозно-бумажный комбинат», создавались 3D-модели и конструкторская документация для деталей технологического оборудования. Среди объектов — «Держатель сопла», «Нож-фреза дисковый», «Планка дуговая», «Головка подач», «Конус в сборе ОК-3», «Термопланка», «Труба классифицир.» и «Пластина поперечной уплотнения». Наименования приведены по рабочим материалам.

Рис. 3. «Конус в сборе ОК-3».

Для «Конуса в сборе ОК-3» подготовили пространственную модель и документацию, описывающую изделие. Модель удобна для анализа формы и последующих изменений, документация — для подготовки изготовления. Аналогичный комплект представлен для защитного кожуха.

Рис. 4. «Кожух защитный».

Подбор материала

Деталь, точно совпадающая с оригиналом по размерам, может оказаться непригодной для работы из-за другого состояния материала. Поэтому при обратном проектировании исследуют химический состав, структуру и твёрдость, а также выясняют, есть ли на поверхности покрытие. Эти данные нужны для выбора отечественного аналога и технологии его обработки [12–15].

Для деталей оборудования АЦБК выполнялся химический анализ исходных материалов. Однако состав поверхности не всегда соответствует составу основного металла. Кроме того, одна и та же сталь после разных режимов термообработки может иметь разные свойства. Спектрометрию поэтому дополняют подготовкой шлифов, металлографией и измерением твёрдости.

Рис. 5. Исследование материала и выбор условий обработки.

Пружинный элемент уплотнительного узла

В одном из примеров требовалось подобрать материал для пружинного элемента. Результаты химического анализа исходной детали приведены в таблице. По сочетанию хрома, никеля и алюминия в качестве отечественного аналога выбрали сталь 09Х17Н7Ю1. Твёрдость исходного образца составила 46 HRC.

Таблица 1. Химический состав пружинного элемента, массовая доля, %.

C	Cr	Ni	Al	Mn	Fe
0,075	17,17	7,40	1,10	0,86	Основа

Для воспроизведения состояния материала в работе использовали закалку от температуры около 1050 °C, формирование элемента на оправке и последующее старение при 480 °C в течение двух часов в заневоленном состоянии. Эти параметры относятся к описанному примеру и не являются универсальным режимом для любых пружин из такой стали.

Таким образом, при изготовлении аналога необходимо задать не только марку стали, но и её состояние после обработки. Совпадение химического состава ещё не означает, что пружина будет работать так же, как исходная [12, 15].

Сегментарное кольцо: основной металл и поверхностный слой

При исследовании сегментарного кольца уплотнительного узла анализ поверхности до шлифования показал наличие олова и кобальта. После удаления поверхностного слоя содержание олова заметно снизилось, а кобальт перестал определяться. Следовательно, результаты анализа необработанной поверхности нельзя было напрямую использовать для выбора марки основного металла.

Металлография выявила перлитную матрицу и пластинчатый графит, что позволило отнести основной материал к серому чугуну. Для определения конкретной марки этого недостаточно: по ГОСТ 1412-85 марки серого чугуна различают по временному сопротивлению при растяжении [13, 14].

В данном случае исследование поверхностного слоя и основного металла решало разные задачи. Их необходимо разделять и при выборе аналога, особенно для деталей, работающих во влажной, абразивной или химически активной среде. Иначе материал может быть выбран по составу покрытия, а не самой детали.

Расчётная проверка и модернизация

Восстановленную твердотельную модель можно использовать для инженерных расчётов. Конечно-элементный анализ позволяет оценить напряжённо-деформированное состояние и выявить участки, требующие внимания. Для таких задач применяют ANSYS, Abaqus и другие расчётные комплексы [2, 3, 7].

На этой стадии допустимо изменить конструкцию, сохранив необходимые присоединительные размеры. Целью может быть повышение жёсткости, увеличение ресурса или упрощение изготовления. Но расчётная оценка и подтверждённый эксплуатационный результат — не одно и то же: эффект изменений должен проверяться на изготовленном изделии.

Рис. 6. «Труба классифицир.».

Для «Трубы классифицир.» и «Пластины поперечной уплотнения» были подготовлены модели и документация. При проработке «Конуса в сборе ОК-3» и «Термопланки» ставились задачи увеличения ресурса и повышения производительности оборудования.

Что передают предприятию

После завершения проектной части у предприятия остаются 3D-модель, конструкторская документация и сведения, на основании которых выбран материал. Этот комплект можно использовать при повторном изготовлении, ремонте или изменении конструкции. Не требуется каждый раз заново восстанавливать геометрию по очередной изношенной детали.

Наличие собственной документации даёт возможность размещать заказ на изготовление аналога без обращения за оригинальными чертежами. При этом вопросы производственных возможностей, контроля качества и испытаний не исчезают. Их необходимо решать при переходе от документации к готовой детали.

Функциональный аналог из гофрокартона

Отдельный пример связан не с запасными частями, а с разработкой высокопрочного изделия из гофрированного картона как аналога сотового картона. В отличие от восстановления металлической детали по образцу, здесь воспроизводят требуемую функцию материала, меняя его внутреннюю структуру [8–11].

Рис. 7. Изделия из гофрированного картона.

Образцы формировали из нескольких элементов гофрокартона, изменяя угол расположения гофров. Прочность оценивали при торцевом сжатии. В расчётной части сравнивали типы и размеры сеток, затем исследовали модели изделий из картона марок П31 и П34.

Рис. 8. Расчётная деформация изделия при торцевом сжатии.

Рис. 9. Сопротивление торцевому сжатию образцов П34 при разных углах расположения гофров.

На представленном графике сопротивление торцевому сжатию увеличивается с ростом угла расположения гофров; наибольшее значение соответствует 90°. Этот результат относится к рассмотренным образцам. Для сопоставления с другими конструкциями необходимо учитывать условия испытаний и то, как определён сравниваемый показатель.

В данном случае расчёт использовался для выбора структуры изделия, а не для копирования существующей формы. Это смежная с обратным проектированием задача: подобрать доступный материал и конструкцию, способные выполнять ту же функцию.

Практический результат

Работы для Архангельского ЦБК показывают, какие задачи приходится решать при восстановлении деталей без исходных чертежей: измерить образец, отделить износ от конструкции, подобрать материал и подготовить документацию. Ни один из этих этапов не заменяет остальные. Точная геометрия не компенсирует ошибку в материале, а правильно выбранная сталь не устраняет ошибку в сопряжении.

Практический результат проектной части — документация, по которой можно изготовить и затем проверить аналог. После подтверждения его работоспособности этот комплект становится основой для повторных заказов и дальнейшей модернизации. Увеличение ресурса и сокращение простоев следует оценивать уже по результатам изготовления, испытаний и эксплуатации, а не только по наличию цифровой модели.

Литература

Иллюстрации и практические примеры приведены по материалам выполненных инженерных работ. Источники ниже относятся к методам обратного проектирования, исследованию материалов и разработке изделий из гофрокартона.

1. Várady T., Martin R. R., Cox J. Reverse engineering of geometric models — an introduction // Computer-Aided Design. 1997. Vol. 29, No. 4. P. 255–268. DOI: 10.1016/S0010-4485(96)00054
2. Debnath B., Pourfarash Z., Ghorpade B., Raman S. Integrating Reverse Engineering for Digital Model Reconstruction and Remanufacturing of Mechanical Components: A Systematic Review // Metrology. 2025. Vol. 5, No. 4. Art. 66. DOI: 10.3390/metrology5040066.
3. Abdalla E., Panfiglio S., Parisi M., Di Bella G. A Review on Reverse Engineering for Sustainable Metal Manufacturing: From 3D Scans to Simulation-Ready Models // Applied Sciences. 2026. Vol. 16, No. 3. Art. 1229. DOI: 10.3390/app16031229.
4. Javaid M., Haleem A., Singh R. P., Suman R. Industrial perspectives of 3D scanning: Features, roles and its analytical applications // Sensors International. 2021. Vol. 2. Art. 100114. DOI: 10.1016/j.sintl.2021.100114.
5. Haleem A., Javaid M., Singh R. P., Rab S. R., Suman R., Kumar L., Khan I. H. Exploring the potential of 3D scanning in Industry 4.0: An overview // International Journal of Cognitive Computing in Engineering. 2022. Vol. 3. P. 161–171. DOI: 10.1016/j.ijcce.2022.08.003.
6. ISO 10360-13:2021. Geometrical product specifications (GPS) — Acceptance and reverification tests for coordinate measuring systems (CMS) — Part 13: Optical 3D CMS.
7. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике / пер. с англ. — М.: Мир, 1975. — 541 с.
8. Косарев И. А. Исследование сопротивления торцевому сжатию изделий из гофрированного картона на основе его деформационных показателей // Наукосфера. 2024. № 10 (1).
9. Косарев И. А. Прогнозирование конструкционной прочности изделий из гофрокартона с помощью численного моделирования // Математическое моделирование в естественных науках: материалы XXXIII Всероссийской конференции. Пермь, 2024. С. 188–191.
10. Косарев И. А. Генерация и решение расчётных сеток для определения потенциала конструкционной прочности гофрокартона // Арктические исследования: от экстенсивного освоения к комплексному развитию: материалы IV международной молодежной научно-практической конференции. Архангельск, 2024. С. 342–346. EDN GSGLVY.
11. Патент на полезную модель RU 222991 U1. Опубликован 25.01.2024. Бюл. № 3. Автор: И. А. Косарев.
12. ГОСТ 5632-2014. Легированные нержавеющие стали и сплавы коррозионно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные. Марки.
13. ГОСТ 1412-85. Чугун с пластинчатым графитом для отливок. Марки.
14. Анисович А. Г., Андрушевич А. А. Микроструктура черных и цветных металлов. — Минск: Белорусская наука, 2015. — 131 с.
15. Новиков И. И. Теория термической обработки металлов: учебник для вузов. — М., 1986. — 480 с.