КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 23-29-00945

НазваниеПовышение энергоэффективности и производительности изготовления деталей машин при интеграции многолезвийной механической обработки и поверхностно-термического упрочнения источниками концентрированной энергии на единой станочной базе

РуководительСкиба Вадим Юрьевич, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский государственный технический университет", Новосибирская обл

Период выполнения при поддержке РНФ

2023 г. - 2024 г.

Конкурс№78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-102 - Механика технологических процессов

Ключевые словаГибридное оборудование, комплексирования обрабатывающих технологий, механическая обработка, резание, многоосевое фрезерование, поверхностная закалка, высокоэнергетический нагрев

Код ГРНТИ55.29.01; 55.29.33; 55.20.27

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Актуальность проблемы. В эпоху глобализации и высокой конкурентоспособности современному машиностроению крайне важно работать над сокращением производственных затрат и одновременно обеспечивая выпуск качественной продукции с максимальной производительностью. В технологическом процессе изготовления деталей машин операции поверхностно-термического упрочнения и механической обработки традиционно разделены, т.е. выполняются на разных участках на различном технологическом оборудовании. При этом с учетом погрешностей, возникающих на предыдущей стадии технологического процесса, деформации материала при термическом упрочнении и погрешностей установки деталей, припуск на чистовую обработку приходится назначать достаточно большим (до 40 % заданной глубины упрочнения). Следовательно, на термической операции необходимо обеспечивать большую, чем заданную чертежом глубину упрочнения, а затем на финишной механической операции удалять наиболее эффективную часть поверхностного слоя. Это в целом приводит к повышенным затратам энергии и снижению производительности обработки на обеих операциях. В связи с этим в станкостроении отчетливо наблюдается тенденция к разработке инновационного типа технологического оборудования – гибридных металлообрабатывающих станков. Объединение различных по своей природе технологических процессов в одном станке: абразивное шлифование – поверхностная закалка, лазерная поверхностная закалка в сочетании с механической обработкой, точение – закалка – шлифование, обусловлено стремлением разработчиков к расширению технологических возможностей станков и обеспечение их автономной работы в гибком машиностроительном производстве. Совмещение двух обрабатывающих технологий – механической и поверхностно-термической операций - позволит нивелировать недостатки монотехнологий и получить новые эффекты, недостижимые при использовании технологий по отдельности. Применение данного типа станков в совокупности с разработанными технологическими рекомендациями позволит достичь многократного роста технико-экономической эффективности производства, ресурсо- и энергосбережения, что в свою очередь будет способствовать повышению конкурентоспособности выпускаемой продукции и обновлению технологического уклада. Эффективность применения интегрированных технологий возникает также за счет снижения потерь времени исполнения операционных процессов путем исключения или сокращения большого числа промежуточных и вспомогательных операций. Объектом данных исследований является технологический процесс изготовления деталей машин, основанный на использовании гибридного станочного оборудования, объединяющего механическую и поверхностно-термическую обработки. Цель работы: повышение производительности и снижение энергозатрат технологического процесса изготовления деталей машин, содержащего операции поверхностной закалки и многолезвийной обработки.

Ожидаемые результаты
Выполнение проекта позволит получить информацию для решения критической проблемы современного станкостроения: обеспечение заданного высокого качества продукции и сокращение производственного цикла изготовления изделий, минимизация себестоимости выпускаемых деталей машин, преодоление предела обрабатываемости материалов и формирование новых поверхностных характеристик деталей. Применение имеющегося опыта и оригинальных подходов позволит опубликовать полученные данные в ведущих мировых журналах, индексируемых системами Web of Science, Scopus и RSCI. Данное исследование будет первой в мире работой, в которой для анализа эффективности гибридного станочного оборудования будет использован комбинированных подход, основанный на интеграции процессов формообразования при фрезеровании и поверхностной закалки посредством высокоэнергетического нагрева токами высокой частоты. Впервые будет разработана методика назначения технологических режимов интегрированной обработки, обеспечивающая требуемый уровень качества изготавливаемых деталей. Теоретические и экспериментальные исследования будут проводиться в соответствии с требованиями ГОСТ 15.101.98. Материалы, описывающие проведение теоретических и экспериментальных исследований будут включать все необходимые сведения для обеспечения возможности воспроизведения результатов проведенных исследований. Также будут выработаны рекомендации по возможности использования результатов проведенной поисковой научно - исследовательской работы в реальном секторе экономики. Для обработки полученных данных будет применен системный анализ результатов экспериментальных исследований, в том числе с использованием статистико-вероятностного подхода; общепринятые методы и подходы к обобщению экспериментальных данных. Работа носит преимущественно фундаментальный характер, однако её выполнение внесёт существенный вклад в развитие концептуального проектирования гибридного металлообрабатывающего оборудования и технологии интегральной обработки, что, в конечном счёте, будет способствовать их успешному применению на промышленных предприятиях машиностроительного профиля. Социальный вклад проекта заключается в поддержке отечественных научных коллективов и повышении узнаваемости и авторитета российских учёных в мировом сообществе машиностроителей.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
1. Обоснована актуальность решаемой проблемы. Показано, что последовательность операций механической и термической обработок оказывает решающее влияние на формирование качества поверхности деталей машин. Выявлено, что при традиционном построении технологического процесса изготовления деталей машин – предварительная обработка – поверхностная закалка – окончательная механическая обработка – наблюдается повышение энергозатрат и снижение производительности обработки на обеих операциях. Решение данной проблемы можно осуществить за счет объединения операций финишной механической и поверхностной термической обработки на одном технологическом оборудовании. На основе анализа литературных источников дано обоснование выбора высокоэнергетического нагрева токами высокой частоты (ВЭН ТВЧ) в качестве источника концентрированной энергии, которым будет оснащаться гибридная металлообрабатывающая система для интегрированной обработки деталей машин. 2. Разработана оригинальная методика проведения структурно-кинематического анализа для предпроектных исследований гибридного металлообрабатывающего оборудования. Результаты исследований показали, что в большинстве случаев параметрические (типоразмерные) ряды металлорежущих станков общего назначения с постоянными знаменателями, построенные в соответствии с законом геометрической прогрессии, приводят к необходимости дублирования отдельных размерных диапазонов на станках одного ряда, и, как следствие, к нецелесообразному увеличение числа его членов. Синтез перспективного параметрического ряда вертикального фрезерного станка с крестовым столом показал, что для нового параметрического ряда характерно наличие меньшего количества членов. Таким образом, применение предлагаемой методики позволяет сократить номенклатуру выпускаемых и модернизируемых станков, а это, в свою очередь, приведет к повышению серийности производства, снижению затрат на ремонт и техобслуживание оборудования, но при этом позволит сохранить гибкость станочного парка. 3. На основании проведенных исследований, разработаны рекомендации, которые направлены на модернизацию многоцелевого пятикоординатного обрабатывающего центра МС 032.06. Их исполнение позволит осуществить высокоэнергетический нагрев токами высокой частоты (ВЭН ТВЧ) на стандартной станочной системе и сформировать наукоемкое технологическое оборудование с расширенными функциональными возможностями. Было экспериментально подтверждено, что внедрение предложенного гибридного станка и применение разработанных рекомендаций для установления рациональных режимов ВЭН ТВЧ в процессе интегральной обработки деталей типа "Пуансон" может значительно увеличить производительность поверхностной закалки - в 36-40 раз больше, чем при использовании заводской технологии. Одновременно с этим, энергозатраты сокращаются в 6 раз. Выполнение представленной работы позволило получить информацию, которая может быть использована для решения актуальной проблемы в сфере машиностроения. Эта задача связана с обеспечением высокого качества продукции, сокращением времени производственного цикла, минимизацией себестоимости выпускаемых изделий и созданием новых поверхностных характеристик обрабатываемых деталей. Таким образом, результаты работы предоставляют ценные рекомендации и подходы для решения всех этих аспектов и улучшения процесса производства в области машиностроения. 4. На основе результатов НИР подготовлено и опубликовано 5 работ: • Skeeba V.Yu., Zverev E.A., Skeeba P.Yu., Chernikov A.D., Popkov A.S. Hybrid technological equipment: on the issue of a rational choice of objects of modernization when carrying out work related to retrofitting a standard machine tool system with an additional concentrated energy source. Obrabotka metallov (tekhnologiya, oborudovanie, instrumenty) = Metal Working and Material Science, 2023, vol. 25, no. 2, pp. 45–67. DOI: 10.17212/1994-6309-2023-25.2-45-67. (Индексируется в международных базах SCOPUS и Web of Science ); • Skeeba V.Yu., Vakhrushev N.V., Titova K.A., Chernikov A.D. Rationalization of modes of HFC hardening of working surfaces of a plug in the conditions of hybrid processing. Obrabotka metallov (tekhnologiya, oborudovanie, instrumenty) = Metal Working and Material Science, 2023, vol. 25, no. 3, pp. 63–86. DOI: 10.17212/1994-6309-2023-25.3-63-86. (Индексируется в международных базах SCOPUS и Web of Science ); • Подгорный Ю.И., Мартынова Т.Г., Скиба В.Ю. Синтез технологических машин. Расчет и конструирование. – Новосибирск : Новосибирский государственный технический университет, 2023. – 240 с. – (Монографии НГТУ). – ISBN 978-5-7782-4912-7. – DOI 10.17212/978-5-7782-4912-7. (Индексируется в базе РИНЦ); • Определение технических характеристик привода главного движения станочного комплекса, объединяющего плазменную и токарную обработки / Е. А. Зверев, Н. В. Вахрушев, К. А. Титова, А. В. Дмитрук // Актуальные проблемы в машиностроении. – 2023. – Т. 10, № 3-4. – С. 42-51. – EDN IENMDW. (Индексируется в базе РИНЦ); • Расчет и конструирование металлорежущих станков / В. Ю. Скиба, С. В. Птицын, В. В. Иванцивский, Е. А. Зверев. – Новосибирск : Новосибирский государственный технический университет, 2023. – 236 с. – ISBN 978-5-7782-5060-4. – EDN QYRBUW. (Индексируется в базе РИНЦ).

Публикации

1. Зверев Е.А., Вахрушев Н.В., Титова К.А., Дмитрук А.В. Определение технических характеристик привода главного движения станочного комплекса, объединяющего плазменную и токарную обработки Актуальные проблемы в машиностроении, Т. 10, № 3-4, С. 42-51. (год публикации - 2023)

2. Скиба В.Ю., Вахрушев Н.В., Титова К.А., Черников А.Д. Rationalization of modes of HFC hardening of working surfaces of a plug in the conditions of hybrid processing Obrabotka Metallov, vol. 25, no. 3, pp. 63–86. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.17212/1994-6309-2023-25.3-63-86

3. Скиба В.Ю., Зверев Е.А., Скиба П.Ю., Черников А.Д., Попков А.С. Hybrid technological equipment: on the issue of a rational choice of objects of modernization when carrying out work related to retrofitting a standard machine tool system with an additional concentrated energy source Obrabotka Metallov, vol. 25, no. 2, pp. 45–67 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.17212/1994-6309-2023-25.2-45-67

4. Подгорный Ю. И., Мартынова Т. Г., Скиба В. Ю. Синтез технологических машин. Расчет и конструирование Монографии НГТУ, Издательство НГТУ, Новосибирск, 2023, 240 с. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.17212/978-5-7782-4912-7

5. Скиба В.Ю., Птицын С.В., Иванцивский В.В., Зверев Е.А. Расчет и конструирование металлорежущих станков Учебное пособие НГТУ, Издательство НГТУ, Расчет и конструирование металлорежущих станков / Скиба В.Ю., Птицын С.В., Иванцивский В.В., Зверев Е.А. – Новосибирск : Новосибирский государственный технический университет, 2023. – 236 с. – ISBN 978-5-7782-5060-4. – EDN QYRBUW. (год публикации - 2023)