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 проекта 22-79-10353

НазваниеРазработка передовых технологий высокоскоростного многокоординатного фрезерования путем совершенствования кинематических параметров фрез и применения новых схем формообразования

Руководитель Пивкин Петр Михайлович, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" , г Москва

Конкурс №71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

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

Ключевые слова Машиностроение, механическая обработка, многокоординатное фрезерование, новые материалы, трохоида, концевая фреза, моделирование, схема формообразования

Код ГРНТИ55.31.29

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Актуальность тематики проекта связана в первую очередь с тем, что изделия с пазами, уступами и карманами различной формы из высокопрочных конструкционных материалов, к числу которых относятся, например, корпусные изделия из чугуна и стали, фланцы с фасонными закрытыми пазами, штампы с уступами и пазами из твердых инструментальных сталей и др., имеют чрезвычайно широкое применение в аэрокосмической, станкоинструментальной, автомобильной и машиностроительной промышленности. Массовое внедрение в современное производство новых материалов с улучшенными физико-механическими свойствами предъявляет повышенные требования к механической обработке, в том числе концевыми фрезами. В настоящее время, наиболее распространенными новыми конструкционным материалам для изготовления изделий с пазами и уступами сложной формы, имеющими повышенные эксплуатационные свойства, являются титановые сплавы Ti-6Al-4V, Ti-5Al-2Sn-3Li, Ti-6Al-6V-2Sn, жаропрочные сплавы на основе никеля Inconel 718 и легкие сплавы на основе алюминия 7050-T7451. Высокоскоростная обработка, обеспечивающая повышение производительности и снижение себестоимости продукции, осуществляется на современных фрезерных станках с ЧПУ, оснащенных специальными шпинделями с предварительной балансировкой инструментальной системы. Технологическая подготовка высокоскоростного фрезерования заключается в определении схемы формообразования и сложной траектории движения (например, в виде трохоиды) с возможностью разделения срезаемых слоев до минимального значения с минимальным углом контакта между фрезой и изделием, что является нелинейной, комплексной задачей, которая на сегодняшний день решается без использования четких критериев эффективности. Это усложняется ограниченными возможностями существующих CAM систем и недостаточной степенью проработки и адаптации для современного высокоскоростного оборудования со скоростями резания до 1000 м/мин. С другой стороны, существующие методы, отличные от универсальных решений, предлагаемых разработчиками CAM систем, имеют ряд хорошо всем известных недостатков, совокупность которых составляет фундаментальную научную проблему. Во-первых, они либо совсем не учитывают составляющую скорости подачи, либо рассчитываются численно в критических точках, что не позволяет учитывать кинематику врезания кромки в обрабатываемый материал как независимого параметра, который является одним из важнейших параметров эффективности. Во-вторых, существующие методы не учитывают изменения механизма плунжерного врезания относительно классического резания. В-третьих, износ инструмента на сегодняшний день не учитывается ни в одном из существующих исследований кинематических особенностей резания кромки при высокоскоростном фрезеровании. В-четвертых, в основе существующих методов задания схем формообразования лежит ограниченное число управляющих параметров (шаг трохоиды и радиус трохоиды), недостаточное для эффективного управления технологическим процессом и поддержания высоких показателей производительности. В-пятых, в основе существующих методов создания схем формообразования нетрохоидальной формы лежат условия формирования минимального угла контакта фрезы с материалом, однако, минимальные ограничения величины угла контакта в фрезерном цикле не рассматриваются. Минимальная толщина стружки формируется в критической зоне в момент врезания при минимальном угле контакта фрезы с заготовкой, что вызывает концентрацию нагрузки на режущую кромку и, следовательно, интенсифицирует выкрашивание. Также, при ширине недеформируемого участка стружки, меньшей радиуса режущей кромки, наблюдается эффект плунжерного врезания, ухудшающий качество обработанной поверхности и увеличение сил резания. В связи с этим цель проекта-разработка методов и подходов к определению рациональных схем формообразования пазов различной формы в условиях высокоскоростного фрезерования путем эффективного разделения срезаемого слоя между циклами резания для обеспечения наилучшего механизма врезания с заданными кинематическими передними и задними углами режущего инструмента-является актуальной, научно и практически значимой. В данном проекте будут разработаны новые схемы формообразования для высокоскоростного фрезерования, обеспечивающие быстрый переход плунжерной зоны врезания в зону активного врезания с формированием витка стружки, а в случае невозможности преодоления плунжерной зону резания вследствие большого радиуса режущей кромки, неострой геометрии или износе, их применение позволит обеспечить кинематическое заострение фрезы за счет рационального изменения диапазона кинематических геометрических параметров фрезы. Следует отметить, что физико-механические и технологические особенности врезания (размер режущей кромки, кривизна задней и передней поверхности фрезы, величина срезаемого материала, подача) в процессе преодоления плунжерного механизма крайне важны и определяются равномерностью изменения кинематических геометрических параметров вдоль режущей части. Применение новых схем формообразования с траекторией движения инструмента в виде трохоиды, циклоиды, а также кривых общего положения, позволят за счет лучшего распределения припуска по высоте и ширине интенсифицировать скорость главного движения и движения подачи. Для обеспечения заданной стойкости режущего инструмента на частотах вращения до 50000 оборотов в минуту и повышения надежности технологического процесса будут применяться высокостойкие инструментальные материалы: твердые сплавы, керамика, в том числе нанокомпозитная (например, SiAlON) что обеспечит хорошую прочность и возможность их применения для высокоскоростного фрезерования. Комплексный, мультидисциплинарный и масштабный характер проекта связан с необходимостью рассмотрения и учета различных конструктивных особенностей обрабатываемых изделий из различных материалов с разными физико-механическими свойствами и с различным характером изменения кривизны, определяющих кинематические геометрические параметры инструмента, определяемых, в свою очередь группой статических геометрических параметров, заданных при проектировании фрезы (диаметра сердцевины, угла касательной к профилю и ширины профиля). Данные параметры в совокупности определяют схему формообразования и траекторию движения инструмента, что делает задачу повышения производительности при фрезеровании пазов комплексный, мультидисциплинарной и масштабной. Научная значимость исследования механизма врезания режущего клина фрезы, определяется изменением ее кинематических передних и задних углов при движении по сложной траектории, что при высокоскоростной обработке переопределяет классические рекомендации. В основе методики исследования механизма высокоскоростного врезания фрезы в обрабатываемый материал, который является определяющим фактором при назначении траектории движения инструмента, лежит выявление новых функциональных взаимосвязей между конструктивными особенностями обрабатываемого паза, геометрическими параметрами фрезы (диаметра сердцевины, угла касательной к профилю, ширины профиля, радиуса режущей кромки, передние и задние углы режущего клина), режимами резания, свойствами обрабатываемого и инструментального материала. В ходе исследования плунжерной зоны врезания режущей кромки в обработанный материал будут установлены новые взаимосвязи между конструктивными параметрами изделия, геометрическими параметрами фрезы, режимами резания, свойствами и характеристиками инструментального материала и материала обрабатываемого изделия, и кинематическими параметрами движения фрезы. Данные взаимосвязи станут основой нового подхода, позволяющего преодолеть вышеуказанные недостатки при определении рациональной схемы формообразования и стратегии обработки в виде траектории-кривой общего назначения за счет применения рационального сочетания численных и аналитических методов математического моделирования. Будет разработана модель формирования стружки исходя из кинематики движения режущей кромки вокруг оси фрезы, движущейся по сложной траектории общего назначения или в частном случае по трохоиде. Гибкость предложенной модели будет успешно сочетаться с исходными координатами исходных точек, обработанных новым рекурсивным алгоритмом построения базисных сплайнов, обеспечивающих необходимую точность с помощью степенных функций. Последовательные положения режущей кромки определяются двумя составляющими кинематического разделения стружки за счет главного движения, ограниченного движением фрезерного цикла для уменьшения ее ширины, что полностью будет учтено в аналитическом виде, позволяющем непрерывно устанавливать условия врезания кромки в материал и при необходимости конфигурировать их. Применение разрабатываемого нового метода на стадии предварительной подготовки производства позволит значительно повысить производительность. Ожидается, что установленные в этом проекте зависимости и взаимосвязи между геометрическими параметрами, физико-химическими и механическими свойствами изделия, свойствами технологических систем и эксплуатационными показателями приведут к значительному улучшению функциональности и эффективности работы режущих инструментов. В результате разработки гаммы конструкций концевых фрез с различным сочетанием геометрических параметров, наиболее эффективно применяемых для каждого класса стратегий высокоскоростной обработки, будут значительно улучшены их эксплуатационные показатели. Решение задач проекта и последующее внедрение его результатов позволит достигнуть ощутимого прогресса в технологической подготовке производства и повышения его эффективности в аэрокосмической, станкоинструментальной, автомобильной и машиностроительной и других критически важных для экономики страны областях. Широкая востребованность результатов проекта в реальном секторе экономики обусловлена не только постоянно растущей ролью высокоскоростного фрезерования в структуре современного высокотехнологичного производства, но и опережающими темпами роста отечественного рынка станкоинструментальной промышленности, который, при целевом сценарии, превысит к 2030 г. 128,5 млрд руб.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---