ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Процесс создания нового технологического оборудования начинается с разработки технического предложения – общей концепции объекта проектирования. Кроме сложности самой задачи, не вызывает сомнений тот факт, что ошибки, допущенные на ранних стадиях проектирования, приводят в дальнейшем к резкому увеличению трудозатрат на их исправление. Разработка концепции будущего гибридного технологического оборудования – это трудноформализуемая задача. Неоспоримым достоинством многофункциональных станочных комплексов является их способность изменять свойства поверхности изделия и интегрировать в себе разного рода воздействия на материал данного изделия в процессе формообразования. При этом появляется большая вероятность того, что при взаимодействии интегрируемых подсистем и компонентов возникнут проблемы их совместимости, которые зависят от множества условий и факторов, таких как особенности решения пространственно-траекторных задач, способы обеспечения точности формообразования, гармонизация основных характеристик станочного комплекса и конструктивно-компоновочной сложности системы в целом. Цель работы: на основе структурного синтеза формообразующих систем станочного оборудования и прогнозирования их технических характеристик повысить эффективность начальных этапов проектирования гибридных металлообрабатывающих комплексов. Методы. Теоретические исследования выполнены с использованием основных положений системного анализа, геометрической теории формирования поверхностей, конструирования металлообрабатывающих станков, методов конечных элементов, математического и компьютерного моделирования. Результаты и обсуждение. Представлена оригинальная методика проведения структурно-кинематического анализа для предпроектных исследований гибридного металлообрабатывающего оборудования. Теоретическими исследованиями было установлено, что эффективность проектирования гибридных металлообрабатывающих систем может быть повышена в 6,092…18,297 раз применением методологии предпроектных исследований. Произведена апробация разработанной методики проектирования и предложена схема реализации гибридного металлообрабатывающего технологического оборудования. Использование предлагаемого гибридного станка может повысить эффективность металлообработки в целом: существенно повысится производительность изготовления деталей машин за счет реализации процессов поверхностной закалки методом высокоэнергетического нагрева токами высокой частоты и механической обработки от одной технологической базы без промежуточных переустановов детали и инструментов.

1. Garro О., Martin P., Veron M. Shiva a multiarms machine tool // CIRP Annals – Manufacturing Technology. – 1993. – Vol. 42, iss. 1. – P. 433–436. – DOI: 10.1016/S0007-8506(07)62479-2.

2. Макаров В.М. Комплексированные технологические системы: перспективы и проблемы внедрения // Ритм: Ремонт. Инновации. Технологии. Модернизация. – 2011. – № 6 (64). – С. 20–23.

3. Brecher C., Özdemir D. Integrative production technology: theory and applications. – [S. l.]: Springer International Publ., 2017. – 1100 p. –ISBN 978-3-319-47451-9. – DOI: 10.1007/978-3-319-47452-6.

4. Manufacturing systems and technologies for the new frontier: the 41st CIRP Conference on Manufacturing Systems, May 26–28, 2008, Tokyo, Japan / M. Mitsuishi, K. Ueda, F. Kimura, eds. – London: Springer, 2008. – 556 p. – eBook ISBN 978-1-84800-267-8. – DOI: 10.1007/978-1-84800-267-8.

5. Integration of production steps on a single equipment / V. Skeeba, V. Pushnin, I. Erohin, D. Kornev // Materials and Manufacturing Processes. – 2015. – Vol. 30, iss. 12. – DOI: 10.1080/10426914.2014.973595.

6. Hybrid processes in manufacturing / B. Lauwers, F. Klocke, A. Klink, A.E. Tekkaya, R. Neugebauer, D. Mcintosh // CIRP Annals – Manufacturing Technology. – 2014. – Vol. 63, iss. 2. – P. 561–583. – DOI: 10.1016/j.cirp.2014.05.003.

7. Moriwaki T. Multi-functional machine tool // CIRP Annals – Manufacturing Technology. – 2008. – Vol. 57, iss.  2. – P. 736–749. – DOI: 10.1016/j.cirp.2008.09.004.

8. Yamazaki T. Development of a hybrid multi-tasking machine tool: integration of additive manufacturing technology with CNC machining // Procedia CIRP. – 2016. – Vol. 42. – P. 81–86. – DOI: 10.1016/j.procir.2016.02.193.

9. Yanyushkin A.S., Lobanov D.V., Arkhipov P.V. Research of influence of electric conditions of the combined electro-diamond machining on quality of grinding of hard alloys // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2015. – Vol. 91. – P. 012051. – DOI: 10.1088/1757-899X/91/1/012051.

10. Research of influence electric conditions combined electrodiamond processing by on specific consumption of wheel* / D.V. Lobanov, P.V. Arkhipov, A.S. Yanyushkin, V.Yu. Skeeba // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2016. – Vol. 142. – P. 012081. – DOI: 10.1088/1757-899X/142/1/012081.

11. Boivie K., Karlsen R., Ystgaard P. The concept of hybrid manufacturing for high performance parts // South African Journal of Industrial Engineering. – 2012. – Vol. 23, iss. 2. – P. 106–115.

12. Effects of turn-milling conditions on chip formation and surface finish [Electronic resource] / K.R. Berenji, U. Karagüzel, E. Özlü, E. Budak // CIRP Annals – Manufacturing Technology. – 2019. – URL: https://doi.org/10.1016/j.cirp.2019.04.067 (accessed: 14.05.2019).

13. Efficiency of hybrid equipment combining operations of surface hardening by high frequency currents and abrasive grinding / V.Yu. Skeeba, V.V. Ivancivsky, N.V. Vakhrushev, K.A. Parts, G.O. Cha // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. – 2018. – Vol. 194, iss. 2. – P. 022038. – DOI: 10.1088/1755-1315/194/2/022038.

14. Salonitis K., Chondros T., Chryssolouris G. Grinding wheel effect in the grind-hardening process // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2008. – Vol. 38, iss. 1–2. – P. 48–58. – DOI: 10.1007/s00170-007-1078-9.

15. Иванцивский В.В., Скиба В.Ю. Совмещение операций поверхностной закалки и финишного шлифования на одном технологическом оборудовании // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2006. –№ 1 (30). – С. 16–18.

16. Скиба В.Ю., Иванцивский В.В. Гибридное металлообрабатывающее оборудование: повышение эффективности технологического процесса обработки деталей при интеграции поверхностной закалки и абразивного шлифования. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2018. – 312 с. – ISBN 978-5-7782-3690-5.

17. Ding H.T., Shin Y.C. Laser-assisted machining of hardened steel parts with surface integrity analysis // International Journal of Machine Tools and Manufacture. – 2010. – Vol. 50, iss. 1. – P. 106–114. – DOI: 10.1016/j.ijmachtools.2009.09.001.

18. Densification, surface morphology, microstructure and mechanical properties of 316L fabricated by hybrid manufacturing / Y. Yang, Y. Gong, S. Qu, Y. Rong, Y. Sun, M. Cai // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2018. – Vol. 97, iss. 5–8. – P. 2687–2696. – DOI: 10.1007/s00170-018-2144-1.

19. Jeon Y., Lee C.M. Current research trend on laser assisted machining // International Journal of Precision Engineering and Manufacturing. – 2012. – Vol. 13, iss. 2. – P. 311–317. – DOI: 10.1007/s12541-012-0040-4.

20. Ивахненко А.Г. Повышение эффективности ранних стадий проектирования металлорежущих станков на основе структурного синтеза формообразующих систем: дис. … д-ра техн. наук. – М., 1998. – 244 с.

21. Effectiveness of structural–parametric synthesis of metal-cutting systems / A.G. Ivakhnenko, V.V. Kuts, O.Y. Erenkov, E.O. Ivakhnenko, A.V. Oleinik // Russian Engineering Research. – 2017. – Vol. 37, no. 10. – P. 901–905. – DOI: 10.3103/S1068798X17100112.

22. Optimal structure design methodology for compound multiaxis machine tools–I – Analysis of requirements and specifications / M. Nakaminami, T. Tokuma, M. Moriwaki, К. Nakamoto // International Journal of Automation Technology. – 2007. – Vol. 1, no. 2. – P. 78–86. – DOI: 10.20965/ijat.2007.p0078.

23. Optimal structure design methodology for compound multiaxis machine tools–II – Investigation of basic structure / M. Nakaminami, T. Tokuma, K. Matsumoto, S. Sakashita, M. Moriwaki, К. Nakamoto // International Journal of Automation Technology. – 2007. – Vol. 1, no. 2. – P. 87–93. – DOI: 10.20965/ijat.2007.p0087.

24. Introduction to precision machine design and error assessment / ed. by S. Mekid. – Boca Raton: CRC Press, 2008. – 302 p. – ISBN-10: 0849378869. – ISBN-13: 978-0849378867. – (Mechanical and Aerospace Engineering Series).

25. Ивахненко А.Г., Куц В.В. Структурно-параметрический синтез технологических систем: монография. – Курск: Курский гос. техн. ун-т, 2010. – 151 с.

26. Куц В.В. Методология предпроектных исследований специализированных металлорежущих систем: дис. … д-ра техн. наук: 05.02.07 / Юго-Западный государственный университет. – Курск, 2012. – 365 с.

27. Повышение эффективности проектирования гибридного металлообрабатывающего оборудования, объединяющего механическую и поверхностно-термическую операции: отчет о научно-исследовательской работе по проекту № 9.11829.2018/11.12 / В.Ю. Скиба, В.В. Иванцивский, О.В. Нос, Е.А. Зверев, Т.Г. Мартынова, Н.В. Вахрушев, Ю.В. Ванаг, К.А. Титова, Г.О. Ча, П.Ю. Скиба. – № ГР АААА-А18-118062290029-8. – Новосибирск, 2018. – 197 c.

28. Bamberg E. Principles of rapid machine design: doctor of philosophy diss. / Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Mechanical Engineering. – Cambridge, 2000. – 212 p.

29. Luo X., Qin Y. Hybrid machining: theory, methods, and case studies. – London: Academic Press, 2018. – 326 p. – ISBN 9780128130599. – eISBN 9780128131138. – DOI: 10.1016/C2016-0-04527-8.

30. Shinno H., Hashizume H. Structured method for identifying success factors in new product development of machine tools // CIRP Annals – Manufacturing Technology. – 2002. – Vol. 51, iss. 1. – P. 281–284. – DOI: 10.1016/S0007-8506(07)61517-0.

31. Moriwaki T., Nunobiki M. Object-oriented design support system for machine tools // Journal of Intelligent Manufacturing. – 1994. – Vol. 5, iss. 1. – P. 47–54. – DOI: 10.1007/BF00124686.

32. Brecher C., Spachtholz G., Paepenmüller F. Developments for high performance machine tool spindles // CIRP Annals – Manufacturing Technology. – 2007. – Vol. 56, iss. 1. – P. 395–399. – DOI: 10.1016/j.cirp.2007.05.092.

33. Method for the optimization of kinematic and dynamic properties of parallel kinematic machines / R. Neugebauer, W.G. Drossel, C. Harbecker, S. Ihlenfeldt, S. Hensel // CIRP Annals – Manufacturing Technology. – 2006. – Vol. 55, iss. 1. – P. 403–406. – DOI: 10.1016/S0007-8506(07)60445-4.

34. Kapur K.C., Lamberson L.R. Reliability in engineering design. – New Delhi: Wiley, India, 2009. – 608 p. – ISBN 9788126522453.

35. Федотенок A.A. Кинематическая структура металлорежущих станков. – М.: Машиностроение, 1970. – 408 с.

36. Птицын С.В., Левицкий Л.В. Структурный анализ и синтез кинематики металлорежущих станков. – Киев: УМКВО, 1989. – 70 с.

37. Казанцев М.Е. Построение структурных схем станков и настройки исполнительных движений. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1997. – 54 с.

38. Врагов Ю.Д. Анализ компоновок металлорежущих станков (Основы компонетики). – М.: Машиностроение, 1978. – 208 е.

39. Ивахненко А.Г. Концептуальное проектирование металлорежущих систем. Структурный синтез. – Хабаровск: Изд-во ХГТУ, 1998. – 124 с.

40. Надежность прогноза качества технологического оборудования / С.В. Птицын, В.Ю. Скиба, Ю.С. Чёсов, Е.В. Мережко // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2013. – № 2 (59). – С. 33–38.

41. Skeeba V.Yu., Ivancivsky V.V. Reliability of quality forecast for hybrid metal-working machinery // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. – 2018. – Vol. 194, iss. 2. – P. 022037. – DOI: 10.1088/1755-1315/194/2/022037.

42. Чёсов Ю.С., Птицын С.В. Проектирование металлорежущего оборудования. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2005. – 105 с.