Николай Фомич Шпунькин. О работе инженера-конструктора и аддитивных технологиях

Профессор кафедры «Обработка материалов давлением и аддитивные технологии» Московского политехнического университета

– Вы преподаете на кафедре «Обработка материалов давлением и аддитивные технологии». Зачем обрабатывать материалы давлением?
– Обработка материалов давлением — это технология, при которой материал не подвергается резанию со снятием стружки, а пластически деформируется под воздействием приложенных к нему сил, по такому же принципу, как пластилин деформируется под нашими пальцами. Мы можем, например, превратить металлическую заготовку в виде цилиндра в заготовку поршня или коленчатого вала двигателя. А плоский лист после обработки давлением — в крыло кузова автомобиля или элемент фюзеляжа самолета. При этом процессы обработки материалов давлением обеспечивают высокую экономичность, повышение прочностных свойств получаемых изделий, высокую производительность, а во многих случаях являются единственным способом изготовления деталей.

– Почему вы решили заняться именно обработкой материалов давлением?
– Когда я поступал в Московский автомеханический институт (сейчас входит в состав Московского политеха — прим. сайта), мне приглянулась вывеска «Машины и технологии обработки металлов давлением». Как раз накануне я посмотрел фильм — репортаж с производства, где показывали последовательную штамповку цоколей лампы для автомобильных фар. Эта технология поразила меня еще в фильме, ведь с одной стороны в машину вползала металлическая лента, а с другой выскакивали маленькие, но сложные детали. Мне очень захотелось понять, как же это происходит. Поэтому без особых раздумий я подал документы на эту специальность.
После завершения обучения я несколько лет проработал инженером-конструктором в конструкторском бюро одного из машиностроительных предприятий. Затем поступил в аспирантуру и параллельно с инженерной работой занялся преподаванием. Сегодня у меня есть уже 24 патента и авторских свидетельства на изобретения, я являюсь Почетным изобретателем г. Москвы, поскольку ряд моих изобретений внедрен в производство.

– Чем занимается инженер-конструктор?
– Этот специалист занимается созданием новых технических объектов в различных сферах — не только машиностроении. Инженер-конструктор разрабатывает и проект изделия, и технологическую оснастку, с помощью которой осуществляется технологический процесс изготовления изделия. Ему нужно мысленно представить конструкцию, придумать взаимодействие частей механизма, подобрать материал и т. д. 
Например, если специалист работает на автомобильном заводе, он может проектировать саму конструкцию кузова, производить прочностные расчеты, необходимые для того, чтобы детали кузова выдерживали нагрузки, возникающие при эксплуатации автомобиля. Одновременно, при проектировании ему необходимо выдерживать требования, касающиеся дизайна и аэродинамических свойств кузова, комфортабельности и безопасности пассажиров и водителя, снижения веса автомобиля и многие другие.
Затем в дело вступает конструктор технологической оснастки. Он получает чертеж детали кузова и начинает разрабатывать технологический процесс (совместно с инженером-технологом) и проектировать штампы, исходя из той конструкции кузовной детали, которую разработал первый специалист. Он должен воплотить в жизнь замысел конструктора кузова, причем максимально экономично — за наименьшее количество операций, с помощью минимального количества оснастки и применяемого оборудования.
Аналогично происходит работа конструкторов, проектирующих технологическую оснастку для сборки-сварки кузова, для нанесения на него лакокрасочных и специальных покрытий и для других технологических операций, применяемых при изготовлении кузова.
Инженер-конструктор должен обладать профессиональными знаниями в той области, где он ведет свои разработки (например, в области обработки материалов давлением), и одновременно уметь эффективно использовать весь арсенал средств, предоставляемый ему современными компьютерными системами. Кроме того, он должен знать действующие в стране стандарты (ГОСТы), чтобы выполняемые им чертежи соответствовали требованиям Единой системы конструкторской документации и были понятны любому специалисту в соответствующей отрасли. Не зря получило распространение выражение: чертеж — язык техники. 

– Как происходит разработка новых изделий?
– Чтобы выразить свою мысль, причем не в многостраничном сочинении, а лаконично, инженер-конструктор выполняет чертеж будущего изделия. Этот процесс называют проектированием или конструированием. Инженер-конструктор мыслит трехмерными образами деталей, узлов, готовых изделий. Для того чтобы перенести эти мысли на бумагу, было придумано проекционное (плоское) черчение, где при помощи специальных геометрических методов создаются плоские чертежи будущих изделий. Чертежи являются, в конечном счете, условными изображениями трехмерных деталей и изделий. Затем изготовители по этим чертежам воссоздают снова (но уже из металла или другого материала) трехмерную деталь, задуманную конструктором.
С развитием информационных технологий и персональных компьютеров получили распространение системы трехмерного геометрического моделирования, которые позволяют конструктору сразу создавать трехмерные объекты, а уже по ним — плоские чертежи. Процесс разработки плоского чертежа в настоящее время практически полностью автоматизирован. Проектирование в современной системе трехмерного моделирования осуществляется следующим образом: сначала создаются трехмерные модели всех деталей изделия, затем они собираются (объединяются в сборки), и таким образом получается трехмерная модель любого изделия — от автомобиля или космического корабля до телефонного аппарата или игрушки. Объединив детали в сборку, инженер-конструктор сразу видит будущее изделие, может провести всесторонний анализ его конструкции, проверить последовательность соединения деталей в узлы, а узлов — в конечное изделие, провести оптимизацию с внесением определенных изменений, оценить работоспособность всего изделия в целом еще до его изготовления. Для оценки работоспособности может выполняться, например, кинематический или динамический анализ всего механизма и его узлов. При этом уточняются форма и размеры отдельных деталей, материалы, из которых они должны быть изготовлены и т.п. После этого из трехмерных моделей создаются рабочие и сборочные чертежи деталей и узлов изделия, в соответствии с которыми будет вестись их изготовление, т.е. выпускается проектно-конструкторская документация. Далее проводится технологическая подготовка производства, заключающаяся в разработке технологических процессов изготовления и проектировании технологической оснастки, где немаловажная роль также отводится инженерам-конструкторам. 
Применение современных компьютерных систем геометрического моделирования в несколько раз повышает производительность труда инженера-конструктора. Особенно эффективны такие системы на производствах, где выпускают гамму однотипных изделий, имеющих похожую конструкцию, но отличающихся размерами, применяемыми материалами и т.п. В этом случае типовая конструкция, заложенная в память компьютера, может быть за несколько часов преобразована конструктором в новую, поскольку часть деталей типовой конструкции должна остаться прежней и их нет необходимости проектировать заново. Это относится и к процессу конструирования самих изделий, и к проектированию технологической оснастки для их изготовления. Если бы конструктор работал сегодня традиционными методами с использованием карандаша, бумаги и чертежных инструментов (линейки, циркуля, угольника, транспортира и т.п.), то вместо нескольких часов ему приходилось бы затрачивать на выполнение чертежа несколько дней. Вот почему в современных условиях (в условиях конкуренции между производителями) существенно сокращается время технологической подготовки производства новых моделей различных изделий (будь то автомобили, компьютеры, телефоны, холодильники и любые другие изделия). 
Несмотря на перечисленные преимущества систем компьютерного моделирования, будет ошибкой говорить, что сегодня за инженеров-конструкторов все делает программа. Именно специалист по ходу проектирования дает программе задания произвести определенные расчеты, на основе которых определяются размеры, форма, материал деталей, входящих в состав разрабатываемого изделия.
Например, если в листовом металле необходимо пробить отверстие малого диаметра, конструктор должен рассчитать, какой именно пуансон (инструмент, которым выполняются отверстия) необходимо применить, вводит в программу его геометрическую форму и материал, выполняет расчет напряжений, возникающих в пуансоне при штамповке, определяет возможность разрушения металла пуансона от такого воздействия. И лишь после этого конструктор решает, принимать ли такую конструкцию пуансона в проектируемом штампе.

– В каких программах работают инженеры-конструкторы?
– У нас на кафедре мы используем программу T-FLEX. Кроме того, для трехмерного геометрического моделирования применяют Autodesk Inventor, SolidWorks, NX и другие продукты.

– Современные инженеры-конструкторы уже не работают с чертежами на бумаге?
– Хотя наши студенты представляют свои курсовые и дипломные проекты в электронном виде, но чертежи на бумаге ими также выполняются. Такой же подход используется и на большинстве предприятий. Порой бывает неудобно рассматривать сложный чертеж на экране компьютера. Ведь если мы видим изделие полностью, мелкие детали практически неразличимы. А если увеличиваем интересующую нас часть, пропадает общая картина. В этом плане чертеж на бумаге довольно удобен, особенно, когда он используется для обсуждения совершенствования конструкции, внесения в нее изменений, которые могут отмечаться и изображаться непосредственно на бумажном чертеже. В некоторых случаях стадия разработки плоского чертежа опускается, а при помощи специальных программ (CAM-программ) производится генерация машинных кодов для станков с ЧПУ (числовым программным управлением), на которых производится изготовление изделия.
В нашей преподавательской деятельности чертежи на бумаге пока еще не изжили себя, в частности, пользуемся такими чертежами во время проведения консультаций студентов при выполнении ими различных графических работ, когда в ходе консультации приходится делать на чертежах пометки и замечания. Чертежи и эскизы широко используются при проведении научно-исследовательских работ во время разработки, например, вариантов конструкции оснастки для проведения экспериментальных исследований и в других случаях.

– Какие вузы, помимо Московского политеха, вы могли бы порекомендовать людям, которые хотят стать инженерами-конструкторами?
– Конечно, в первую очередь, я рекомендую наш Московский политех, который имеет многолетнюю историю и славные традиции. У многих из вас (или в семьях ваших знакомых) родители или дедушки с бабушками заканчивали в свое время Московский автомеханический институт (МАМИ), работали инженерами-конструкторами и нисколько об этом не жалеют. В университете работает высококвалифицированный профессорско-преподавательский состав, который может многому научить студентов, в том числе, дать знания, умения и навыки, необходимые для работы инженером-конструктором. Работа инженером-конструктором в области обработки материалов давлением очень интересна и перспективна, потому что эти технологии используются во многих отраслях промышленности — автомобильной, аэрокосмической, нефтегазовой, строительной, в производстве товаров бытового назначения, в оборонно-промышленном комплексе и др. Одно только перечисление отраслей, где может применить свои силы инженер-конструктор, говорит о том, что такой специалист будет востребован и без работы не останется.
Есть много и других хороших вузов, готовящих таких специалистов. Я рекомендую МГТУ им. Баумана, МГТУ «СТАНКИН», Тульский государственный университет, Балтийский государственный технический университет им. Д.Ф. Устинова (г. Санкт-Петербург) и т.д.

– На какие предметы стоит делать упор старшекласснику, который хочет стать инженером-конструктором?
– Ему обязательно нужно знать физику, математику, информатику, а также предметы, дающие сведения о материалах, в частности, о металлах и сплавах; знание их строения и свойств пригодятся в работе. Кроме того, нужно уделять достаточно внимания черчению — оно развивает пространственное воображение и учит излагать свои мысли при помощи чертежа или эскиза, а не многостраничного текста.

– Какие компетенции нужны инженеру-конструктору?
– Пожалуй, это упорство, терпение, способность постоянно совершенствоваться и воспринимать все новое, что появляется в выбранной сфере деятельности. Нужны и чисто человеческие качества — доброжелательность, способность к общению, порядочность.

– Где может работать инженер-конструктор?
– Прежде всего, специалист в области обработки материалов давлением нужен на предприятиях, производящих транспортные средства. Не только на автомобильных (где процессы обработки давлением представлены самыми сложными видами объёмной и листовой штамповки), но и в авиастроении, ракетостроении, производстве морских и речных судов, на предприятиях железнодорожного транспорта и т.д.
Но могут инженеры-конструкторы работать и в других отраслях. Например, в нефтегазовой, где нужно изготавливать различные детали для трубопроводов, насосов, компрессоров и т.п., в строительстве, где очень много деталей получают штамповкой. Нужны они и на предприятиях, которые производят металлическую посуду или различные бытовые приборы — холодильники, стиральные машины. Высокотехнологичные изделия (компьютеры, сотовые телефоны, телевизоры и многое другое) также не обходятся без широкого применения штамповки. И даже такие мелкие изделия, как металлические пуговицы, кнопки, молнии, знаки различия на одежде военнослужащих, выполняются при помощи штамповки.
Производство металлической мебели, создание предметов интерьера (светильников, шкатулок и т.д.), изготовление монет, медалей, художественных изделий — всем этим занимаются выпускники нашей кафедры. 

– Какой карьерный путь может быть у инженера-конструктора?
– Это зависит от отрасли, в которой начинает работу конструктор. В автомобилестроении, например, должность инженера-конструктора получает, как правило, специалист с высшим образованием. Специалист со средним специальным образованием работает на должности техника-конструктора, выполняя менее сложные и ответственные разработки. Инженеры-конструкторы подразделяются на категории. Обычно молодые специалисты, закончившие вуз, начинают свой карьерный путь с конструктора третьей категории. Постепенно в процессе работы они набираются опыта и через несколько лет получают первую категорию. В дальнейшем инженер-конструктор первой категории может стать начальником конструкторского бюро, а затем — всего конструкторского отдела (связанного уже не только с обработкой давлением). Дальше, по мере роста, он может занимать должности главного конструктора, технического директора и в итоге возглавить предприятие.

– Чем может заняться инженер-конструктор, решивший попробовать себя в чем-то новом?
– Наши выпускники хорошо разбираются в компьютерных программах, поэтому, при желании, они могут развиваться в этом направлении — например, работать с базами данных.

– Существуют ли кружки, где школьники могут на практике попробовать себя в роли инженеров-конструкторов?
– Раз в месяц Московский политех проводит День открытых дверей. Во время таких мероприятий выпускающие кафедры готовят свои стенды, на которых можно поближе познакомиться со всеми направлениями, по которым ведется подготовка специалистов. Наши сотрудники с удовольствием проведут школьников по лабораториям и все покажут. Кроме того, в рамках факультета «Инженерная школа» Московского политеха проводятся встречи со старшеклассниками, где желающие получают возможность заниматься в инженерных классах университета, принимать участие в выполнении учебных исследований и проектов в области инженерного творчества.