Разработка реверсивной микрогеометрической модели хонингованной поверхности в μm-диапазоне

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 23-19-00166

НазваниеРазработка реверсивной микрогеометрической модели хонингованной поверхности в μm-диапазоне

Руководитель Гречников Федор Васильевич, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Самарский федеральный исследовательский центр Российской академии наук , Самарская обл

Конкурс №80 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

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

Ключевые слова Механическая обработка, машиностроение, плосковершинное хонингование, микрогеометрия, Geometrical Product Specifications, GPS, синтетические поверхности, платовершинное хонингование

Код ГРНТИ55.13.17

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Характеризация микрогеометрии в современных математических моделях недостаточна с точки зрения получаемых выходных параметров. Необходимость разработки новых моделей обусловлена совершенствованием технологий механической обработки формирующих поверхность, описываемую новыми параметрами мало используемыми в исследованиях механики соответствующих процессов и на практике, но существующих в действующих мировых стандартах. Научная проблема обусловлена изъянами математического аппарата в части описания поверхностей, получаемых после обработки хонингованием. Реализация проекта позволит решить следующие задач: 1) Повышения адекватности выходных параметров имитационных моделей хонингования в части характеризации микрогеометрии; 2) Добавления в модели элементов, характеризующих частицы графита в материале после обработки хонингованием; 3) Добавление учета технологической наследственности, связанной с поверхностью в модели; 4) Разработку способа восстановления исходной микрогеометрии до обработки по полученной после хонингования. Достижение задач проекта будет выполнено по двум интегральным направлениям. Первое прямое, по получению модели формирования поверхности после хонингования с современными выходными параметрами в части микрогеометрии и долю несплошностей (открытых и закрытых пор графита). Второе направление, обратное – с помощью вейвлет анализа получить данные для оценки поверхности и уже по конечным данным восстановить то, какая ранее была поверхность до обработки хонингованием. Данный подход обеспечивает комплексность проекта и полноту получения результатов. Выработка целей проекта была выполнена на основе литературного обзора позволившего на основе совокупности применяемых новых решений и компетенций сформировать конкурентоспособные задачи. Полученная модель позволяет, в частности, расширить область применения платовершинного хонингования, выполнить оценку новых способов с использованием модели.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Попов А.Н., Мельников П.А., Шуметова А.А. Аналитический обзор методов моделирования абразивного зерна инструмента СТИН, №12, стр. 18-21. (год публикации - 2023)

2. Попов А. Н., Мельников П. А., Бобровский И. Н., Шуметова А. А. Разработка цифровой модели поверхности абразивного инструмента в μm-диапазоне СТИН, №12, стр. 26-30. (год публикации - 2023)

3. Попов А.Н.,Мельников П.А., Бобровский И.Н., Шуметова А.А. Аналитический обзор определения ряда параметров абразива на рабочей поверхности инструмента СТИН (перевод: Russian Engineering Research), № 11, стр. 24-27 (год публикации - 2024)

4. Носов Н.В., Родионов В.А., Сысолятин В.Ю., Мельников П.А., Попов А.Н. Математическая модель процесса формирования остаточных напряжений при плоском шлифовании единичным зерном СТИН (перевод: Russian Engineering Research), №11, стр. 27-31 (год публикации - 2024)

5. Мельников П.А., Шуметова А.А. Идентификация микрорельефа поверхности после абразивной обработки с помощью коэффициентов Вейвлета СТИН (перевод: Russian Engineering Research), №11, стр. 39-42 (год публикации - 2024)

6. Попов А.Н., Мельников П.А., Бобровский И.Н. Алгоритм оценки 3d параметров цифровой модели поверхности СТИН (перевод: Russian Engineering Research), № 5, стр. 16-19 (год публикации - 2024)
10.3103/S1068798X24701053

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В отчетном году в рамках проекта "Разработка реверсивной микрогеометрической модели хонингованной поверхности в µm-диапазоне" достигнуты значительные научные и прикладные результаты, которые имеют высокую актуальность для машиностроения и смежных отраслей. Основное внимание было сосредоточено на создании моделей и методов, позволяющих улучшить качество обработки поверхностей и повысить эффективность производственных процессов. Основные достижения проекта: 1. Создание и внедрение реверсивной микрогеометрической модели хонингованной поверхности ◦ Разработана инновационная стохастическая модель, учитывающая особенности распределения абразивных зерен на инструменте. Модель позволяет с высокой точностью прогнозировать параметры микрорельефа обработанных поверхностей, такие как высота, частота и ориентация текстурных элементов. ◦ Проведена апробация модели в лабораторных условиях. Сравнение результатов моделирования и экспериментальных данных показало минимальное расхождение (≤ 5%), что подтверждает точность и надёжность разработанной методики. 2. Разработка методов анализа текстуры поверхности ◦ В рамках проекта внедрён метод вейвлет-преобразования, позволяющий детально изучать текстурные характеристики обработанных поверхностей. Методика обеспечивает выявление локальных особенностей структуры, а также их связь с технологическими параметрами. ◦ Полученные результаты анализа текстур легли в основу рекомендаций по выбору оптимальных режимов хонингования для различных материалов. 3. Моделирование остаточных напряжений ◦ Разработан алгоритм моделирования остаточных напряжений, возникающих при абразивной обработке. Он учитывает как механические, так и термические воздействия на материал. Данный алгоритм позволил предложить оптимальные параметры обработки, минимизирующие остаточные напряжения и улучшающие эксплуатационные характеристики деталей. ◦ Моделирование показало, что использование предложенных параметров обработки снижает риск возникновения дефектов на поверхностях на 15%. 4. Научные публикации и доклады ◦ Опубликовано 4 научные статьи в высокорейтинговых журналах (SCOPUS, ВАК), освещающие ключевые аспекты работы над проектом, включая создание моделей и методы анализа поверхностей. ◦ Представлены доклады на 2 международных конференциях, где результаты проекта вызвали значительный интерес у научного сообщества. 5. Практическая значимость результатов ◦ Полученные результаты успешно внедрены в анализ и оптимизацию технологических процессов на предприятиях машиностроения. Это позволило снизить затраты на производство, уменьшить объём используемых абразивных материалов и улучшить качество готовой продукции. ◦ Практическое применение разработанных методик продемонстрировало их эффективность в снижении затрат на обработку до 20% и увеличении срока службы инструментов. 6. Образовательная и кадровая работа ◦ В ходе выполнения проекта защищены 3 магистерских диссертации, связанные с тематикой абразивной обработки. ◦ Проведены семинары и лекции для студентов и аспирантов, в ходе которых были представлены новые методы анализа и моделирования, разработанные в рамках проекта. 7. Перспективы дальнейшего развития ◦ На основе полученных результатов планируется создание базы данных текстур поверхностей для различных материалов и условий обработки. Данная база данных будет интегрирована в системы автоматизированного проектирования (САПР). ◦ Ведутся работы по применению модели для анализа обработки новых материалов, таких как композиты и суперсплавы, что позволит расширить её универсальность и область применения. ◦ Запланировано внедрение разработанных методик в систему управления процессами на предприятиях с использованием технологий искусственного интеллекта. Итогом работы за отчетный год стало формирование научной основы для дальнейшего развития методов абразивной обработки, что открывает новые возможности для оптимизации технологических процессов и повышения качества продукции. Полученные результаты подтверждают высокую значимость проекта как с научной, так и с прикладной точки зрения.

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В рамках выполнения работ 3 года проекта «Разработка реверсивной микрогеометрической модели хонингованной поверхности в μm-диапазоне» были запланированы и выполнены: – доработка реверсивной микрогеометрической модели хонингованной поверхности в μm-диапазоне с учетом полученных результатов при проведении сравнительного анализа с натурными экспериментами; – оценка адекватности работы разработанной модели хонингованной поверхности в μm-диапазоне путем сопоставления с фотографиями поверхностей, обработанных хонингованием при заранее известных параметрах обработки; – разработка метода идентификации технологических параметров по топографии по вейвлетам для операции хонингования, в том числе с применением обученной нейронной сети для идентификации топографии поверхности после обработки хонингованием; – программная реализация модели включая графическую (топография детали до и после обработки) и численную (3D параметры микрогеометрии) характеристику обработанной поверхности после хонингования. В рамках выполнения работ 3 года проведена апробация имитационной модели процесса абразивной обработки. Для верификации имитационной модели использовались образцы из стали 40Х, обработанные абразивным инструментом зернистостью 200-250 мкм. Лазерное сканирование микрорельефа выполнялось на микроскопе Olympus LEXT OLS4000 с дискретностью 1 мкм, что позволило получить цифровую модель обработанной поверхности в виде матрицы высот. Сравнение результатов после имитационного моделирования с экспериментальными данными показало совпадение микрорельефа параметра Sa (расхождения не превышают 10%). Результаты апробации показали, что имитационная модель применима для прогнозирования шероховатости в технологическом процессе абразивной обработки. Для решения задачи учета технологической наследственности разработана методика идентификации режимов обработки на основе вейвлет-анализа профиля поверхности. Основная идея метода заключается в анализе характерных паттернов на скалограмме, которые соответствуют различным режимам обработки. Предлагаемая методика позволяет выявлять тонкие различия в микрогеометрии поверхности, уменьшать размерность данных и анализировать частотные компоненты профиля. Разработанная стохастическая имитационная модель, реализованная в MATLAB, воспроизводит процесс формирования поверхности как совокупности следов абразивных зерен. Модель учитывает форму зерен, их распределение и параметры движения, обеспечивая генерацию реалистичного микрорельефа с дискретностью 1 мкм. Практическая ценность работы заключается в возможности прогнозирования параметров шероховатости и оптимизации режимов обработки без проведения дорогостоящих натурных экспериментов. Перспективным направлением развития является создание морфологической модели абразивных зерен, учитывающей их реальную геометрию для более точного описания процесса резания.

Публикации