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

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 23-29-00945

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

Руководитель Скиба Вадим Юрьевич, Кандидат технических наук

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

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 слова Гибридное 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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. 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)
10.17212/1994-6309-2023-25.2-45-67

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)
10.17212/1994-6309-2023-25.3-63-86

3. 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)
10.17212/978-5-7782-4912-7

4. 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)

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)

6. Борисов М.А., Лобанов Д.В., Зворыгин А.С., Скиба В.Ю. Adaptation of the CNC system of the machine to the conditions of combined processing Obrabotka metallov, vol. 26, no. 1, pp. 55–65. (год публикации - 2024)
10.17212/1994-6309-2024-26.1-55-65

7. Лобанов Д.В., Скиба В.Ю., Голюшов И.С., Смирнов В.М., Зверев Е.А. Design simulation of modular abrasive tool Obrabotka metallov, vol. 26, no. 2, pp. 158–173. (год публикации - 2024)
10.17212/1994-6309-2024-26.2-158-173

8. Скиба В.Ю., Юлусов И.С., Вахрушев Н.В., Папко С.С., Рожнов Е.Е., Попков А.С. Актуальность разработки гибридного оборудования для совмещения операций термической и финишной механической обработки Актуальные проблемы в машиностроении, Т. 11, № 1-2. – С. 48–56. (год публикации - 2024)

9. Скиба В.Ю., Попков А.С., Иванцивский В.В., Рожнов Е.Е., Юлусов И.С., Папко С.С. Актуальность разработки и внедрения гибридной металлообрабатывающей системы на базе зубообрабатывающего станка Актуальные проблемы в машиностроении, Т. 11, № 1-2. – С. 57–66. (год публикации - 2024)

10. Скиба В.Ю., Иванцивский В.В., Черников А.Д., Мартюшев Н.В., Вахрушев Н.В., Титова К.А. Design and technological aspects of integrating multi-blade machining and surface hardening on a single machine base Journal of Manufacturing and Materials Processing, Vol. 8, iss. 5. – Art. 200 (год публикации - 2024)
10.3390/jmmp8050200

11. Скиба В.Ю., Папко С.С., Титова К.А., Юлусов И.С., Рожнов Е.Е., Попков А.С. Определение способа поверхностного упрочнения ходового винта на металлорежущем оборудовании, объединяющем поверхностно-термическую и механическую обработки Актуальные проблемы в машиностроении, Т. 11, № 3-4. – С. 38–46. (год публикации - 2024)

12. Скиба В.Ю., Рожнов Е.Е., Иванцивский В.В., Папко С.С., Юлусов И.С., Попков А.С. Целесообразность разработки и эффективность использования гибридного технологического оборудования на базе бесцентровошлифовального станка для изготовления деталей типа штифт Актуальные проблемы в машиностроении, Т. 11, № 3-4. – С. 47–56. (год публикации - 2024)

13. Лобанов Д.В., Рафанова О.С., Королев А.В., Терентьев Е.А., Скиба В.Ю. Оценка качества затачивания высокопрочных инструментальных материалов Актуальные проблемы в машиностроении, Т. 11, № 1-2. – С. 26–32. (год публикации - 2024)

14. Скиба В.Ю., Птицын С.В., Иванцивский В.В., Зверев Е.А. Расчет и конструирование станочного оборудования Учебное пособие. Издательство НГТУ. Новосибирск, Расчет и конструирование станочного оборудования : учебное пособие / В. Ю. Скиба, С. В. Птицын, В. В. Иванцивский, Е. А. Зверев. – Новосибирск : Новосибирский государственный технический университет, 2024. – 283 с. – ISBN 978-5-7782-5222-6. – EDN EERAPQ. (год публикации - 2024)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
1. Разработано гибридное металлообрабатывающее оборудование с числовым программным управлением, написан уникальный постпроцессор к нему, позволяющий реализовать все функциональные возможности данной станочной системы и технологию комбинированной обработки в целом. Спроектирована и изготовлена специальная оснастка и инструмент, обеспечивающие все необходимые требования к процессу поверхностной закалки ВЭН ТВЧ. Проведённый комплекс работ и апробация технологии интегрированной обработки в реальных условиях по сравнению с традиционными методами построения технологического процесса изготовления деталей позволили зафиксировать следующие результаты: повышение производительности обработки в 1,9 раза; исключение возможности появления брака при финишном шлифовании; сокращение вспомогательного и подготовительно-заключительного времени; снижение межоперационных заделов деталей. 2. На основе результатов натурных экспериментов и данных конечно-элементного моделирования тепловых полей, структурно-фазовых превращений и напряженно-деформированного состояния в стали при высокоэнергетическом нагреве токами высокой частоты, определен диапазон режимов ВЭН ТВЧ, рациональный характер перераспределения остаточных напряжений в поверхностно-упрочненном материале изделия. 3. В результате проведенных исследований установлено, что внедрение предложенного принципа интеграции, обеспечивающего обработку деталей от единой технологической базы, позволяет существенно сократить припуск на окончательное шлифование. Это обеспечивает повышение качества поверхностного слоя изделий. В частности, при осуществлении абразивного шлифования и выхаживания повышаются достигнутые в процессе ВЭН ТВЧ показатели микротвердости и уровень сжимающих напряжений в поверхностном слое материала на 6…8%. 4. Разработана методика моделирования сборного абразивного инструмента, использующая теорию графов и матричный анализ. Этот подход позволяет не только анализировать и синтезировать конструктивные решения, но и значительно повышать эффективность инструментального обеспечения при производстве изделий из высокопрочных и тяжело обрабатываемых материалов. По результатам проведенных теоретических исследований установлено, что использование разработанной методики модельного проектирования позволяет повысить эффективность процесса проектирования сборного абразивного инструмента в диапазоне от 2 до 4 раз, в зависимости от сложности конструкции инструмента. 5. Были выявлены следующие факторы, влияющие на изменение микро- и макрогеометрических параметров в процессе финишного шлифования и выхаживания: процентное содержание углерода в сталях и начальные значения волнистости, шероховатости, а также микротвердости поверхностного слоя материала. Эти параметры количественно определяют степень изменения геометрических характеристик в процессе обработки. Вместе с установленными функциональными зависимостями между параметрами волнистости, шероховатости и микротвердости материала, обозначенными как функции времени выхаживания, данные факторы позволяют точно прогнозировать характеристики качества поверхностного слоя. Таким образом, учёт этих факторов и зависимостей способствует повышению качества финишной обработки за счёт предсказуемого контроля изменений в процессе формообразования. 6. На основе установленных функциональных зависимостей, связывающих волнистость, шероховатость и микротвёрдость материала со временем выхаживания, была разработана методика назначения режимов для нового метода интегральной обработки. Данная методика уникальна, поскольку учитывает физико-механическое состояние материала (глубину и твёрдость упрочнённого слоя, распределение остаточных напряжений по глубине материала) наряду с микро- и макрогеометрическими параметрами поверхности обрабатываемой детали. Таким образом, предлагаемый подход позволяет более точно контролировать процесс обработки и повышать качество готовых изделий. 7. Результаты НИР внедрены в учебный процесс при подготовке бакалавров и магистров, обучающихся по направлениям 15.03.02, 15.03.05 и 15.04.05. На основе результатов заключительного этапа НИР подготовлено и опубликовано 9 работ: 3 из которых индексируются в международных базах Web of Science и SCOPUS; 5 статей опубликованы в журнале, индексируемом РИНЦ, и одно учебное пособие (индексируется в базе РИНЦ). Научная значимость реализации данного проекта заключается в развитии методов концептуального проектирования гибридного металлообрабатывающего оборудования, что позволит повысить эффективность ранних стадий проектных работ на промышленных предприятиях машиностроительного профиля. Выполнение проекта позволило получить информацию для решения критической проблемы современного машиностроения: обеспечение заданного высокого качества продукции и сокращение производственного цикла изготовления изделий, минимизации себестоимости выпускаемых деталей машин, преодоление предела обрабатываемости материалов и формирование новых поверхностных характеристик деталей. Совместное использование гибридного оборудования и разработанной комплексной методики назначения технологических режимов интегральной обработки позволит повысить производительность формообразования и снизить энергозатраты на финишной стадии технологического процесса изготовления деталей машин. Следовательно, задачи решены в полном объеме, а цель, поставленная в проекте, достигнута.

Публикации

Возможность практического использования результатов
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.