ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. В обрабатывающей промышленности наблюдается особый интерес к разработке нового типа технологического оборудования, позволяющего реализовать методы модифицирования поверхностных слоев деталей путем их обработки источниками концентрированной энергии. Совмещение двух обрабатывающих технологий (механической и поверхностно-термической операции) в условиях интегрального оборудования позволяет нивелировать недостатки монотехнологий и получить новые эффекты, недостижимые при использовании технологий по отдельности. Применения гибридных 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. Цель работ: повышение производительности и снижение энергозатрат при поверхностно-термическом упрочнении деталей машин посредством воздействия концентрированными источниками энергии в условиях интегральной обработки. Теория и методы. Исследования возможного структурного состава и компоновки гибридного оборудования при интеграции механических и поверхностно-термических процессов производились с учетом основных положений структурного синтеза и компонетики металлообрабатывающих систем. Теоретические исследования выполнены с использованием основных положений системного анализа, геометрической теории формирования поверхностей, конструирования металлообрабатывающих станков, методов конечных элементов, математического и компьютерного моделирования. Математическое моделирование тепловых полей и структурно-фазовых превращений при ВЭН ТВЧ осуществлялось в программных комплексах ANSYS и SYSWELD, использующих численные методы решения дифференциальных уравнений нестационарной теплопроводности (уравнение Фурье), диффузии углерода (2-й закон Фика) и упругопластического поведения материала. Верификация результатов моделирования осуществлялась проведением натурных экспериментов с применением оптической и растровой микроскопии; механического и рентгеновского методов определения остаточных напряжений. В исследовании для одновременного измерения отклонений формы, волнистости и шероховатости поверхности применял профилограф-профилометры Uone JD520 и Form Talysurf Series 2. Оценку топографии поверхности производили на лазерном профилографе-профилометре Zygo New View 7300. Микротвёрдость упрочненного поверхностного слоя деталей оценивали на приборе Wolpert Group 402MVD. Результаты и обсуждение. Представлена оригинальная методика проведения структурно-кинематического анализа для предпроектных исследований гибридного металлообрабатывающего оборудования. Разработаны методологические рекомендации по модернизации металлорежущих станков, выполнение которых позволит реализовать высокоэнергетический нагрев токами высокой частоты (ВЭН ТВЧ) на стандартной станочной системе и обеспечить формирование наукоемкого технологического оборудования с расширенными функциональными возможностями. Предложен единый интегральный параметр температурно-временного воздействия на конструкционный материал при назначении режимов упрочнения концентрированными источниками нагрева, гарантирующих требуемый комплекс показателей качества поверхностного слоя деталей машин, при обеспечении энергоэффективности и производительности обработки в целом. Экспериментально подтверждено, что внедрение в производство предлагаемого гибридного станка в совокупности с разработанными рекомендациями по назначению режимов ВЭН ТВЧ в условиях интегральной обработки детали типа «Втулка плунжерная» по отношению к заводской технологии позволяет повысить производительность поверхностной закалки в 3,5…4,1 раза, и снизить энергозатраты в 9,5…11,3 раза.

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

2. The critical raw materials in cutting tools for machining applications: a review / A. Rizzo, S. Goel, M.L. Grilli, R. Iglesias, L. Jaworska, V. Lapkovskis, P. Novak, B.O. Postolnyi, D. Valerini // Materials. – 2020. – Vol. 13. – P. 1377. – DOI: 10.3390/ma13061377.

3. Макаров В.М., Лукина С.В. Уникальная синергия гибридных станков // Ритм: Ремонт. Инновации. Технологии. Модернизация. – 2016. – № 8. – С. 18–25.

4. Makris S., Aivaliotis P. Framework for accurate simulation and model-based control of hybrid manufacturing processes // Procedia CIRP. – 2021. – Vol. 97. – P. 470–475. – DOI:  1016/j.procir.2020.07.007.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

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

10. 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.

11. 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.

12. Hybrid manufacturing based on the combination of mechanical and electro physical-chemical processes / B. Lauwers, N. Chernovol, B. Peeters, D.V. Camp, T.V. Riel, J. Qian // Procedia CIRP. – 2020. – Vol. 95. – P. 649–661. – DOI: 10.1016/j.procir.2020.11.003.

13. Effects of turn-milling conditions on chip formation and surface finish / K.R. Berenji, U. Karagüzel, E. Özlü, E. Budak // CIRP Annals. – 2019. – Vol. 68, iss. 1. – P. 113–116. – DOI: 10.1016/j.cirp.2019.04.067.

14. 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.

15. Hybrid laser assisted machining: a new manufacturing technology for ceramic components / G. Guerrini, A. Fortunato, S.N. Melkote, A. Ascari, A.H.A. Lutey // Procedia CIRP. – 2018. – Vol. 74. – P. 761–764. – DOI: 10.1016/j.procir.2018.08.015.

16. Mirzendehdel A.M., Behandish M., Nelaturi S. Topology optimization with accessibility constraint for multi-axis machining // Computer-Aided Design. – 2020. – Vol. 122. – P. 102825. – DOI: 10.1016/j.cad.2020.102825.

17. Khatir F.A., Sadeghi M.H., Akar S. Investigation of surface integrity in the laser-assisted turning of AISI 4340 hardened steel // Journal of Manufacturing Processes. – 2021. – Vol. 61. – P. 173–189. – DOI: 10.1016/j.jmapro.2020.09.073.

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

19. 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. – ISBN 978-1-84800-267-8. – DOI: 10.1007/978-1-84800-267-8.

20. 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.

21. Liu J., Ye C., Dong Y. Recent development of thermally assisted surface hardening techniques: a review // Advances in Industrial and Manufacturing Engineering. – 2021. – Vol. 2. – P. 100006. – DOI: 10.1016/j.aime.2020.100006.

22. Tailored bainitic-martensitic microstructures by means of inductive surface hardening for AISI4140 / F. Mühl, J. Jarms, D. Kaiser, S. Dietrich, V. Schulze // Materials and Design. – 2020. – Vol. 195. – P. 108964. – DOI: 10.1016/j.matdes.2020.108964.

23. A review of surface integrity in machining of hardened steels / W.F. Sales, J. Schoop, L.R.R. Silva, Á.R. Machado, I.S. Jawahir // Journal of Manufacturing Processes. – 2020. – Vol. 58. – P. 136–162. – DOI: 10.1016/j.jmapro.2020.07.040.

24. Combination of high feed turning with cryogenic cooling on Haynes 263 and Inconel 718 superalloys / F.J. Amigo, G. Urbikain, O. Pereira, P. Fernández-Lucio, A. Fernández-Valdivielso, L.N. Lópezde de Lacalle // Journal of Manufacturing Processes. – 2020. – Vol. 58. – P. 208–222. – DOI: 10.1016/j.jmapro.2020.08.029.

25. Борисов М.А., Лобанов Д.В., Янюшкин А.С. Гибридная технология электрохимической обработки сложнопрофильных изделий // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2019. – Т. 21, № 1. – С. 25–34. – DOI: 10.17212/1994-6309-2019-21.1-25-34.

26. Gao K., Qin X. Effect of feed path on the spot continual induction hardening for different curved surfaces of AISI 1045 steel // International Communications in Heat and Mass Transfer. – 2020. – Vol. 115. – P. 104632. – DOI: 10.1016/j.icheatmasstransfer.2020.104632.

27. 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.

28. Иванцивский В.В., Скиба В.Ю. Гибридное металлообрабатывающее оборудование. Технологические аспекты интеграции операций поверхностной закалки и абразивного шлифования: монография. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2019. – 348 с. – ISBN 978-5-7782-3988-3.

29. 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.

30. Advances in laser assisted machining of hard and brittle materials / K. You, G. Yan, X. Luo, M.D. Gilchrist, F. Fang // Journal of Manufacturing Processes. – 2020. – Vol. 58. – P. 677–692. – DOI: 10.1016/j.jmapro.2020.08.034.

31. Laser transformation hardening of EN24 alloy steel / K.M.B. Karthikeyan, T. Balasubramanian, V. Thillaivanan, G.V. Jangetti // Materials Today: Proceedings. – 2020. – Vol. 22, pt. 4. – P. 3048–3055. – DOI: 10.1016/j.matpr.2020.03.440.

32. In-process residual stresses regulation during grinding through induction heating with magnetic flux concentrator / F. Li, X. Li, T. Wang, Y.(K.) Rong, S.Y. Liang // International Journal of Mechanical Sciences. – 2020. – Vol. 172. – P. 105393. – DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2019.105393.

33. Hybrid modeling of induction hardening processes / M.Z. Asadzadeh, P. Raninger, P. Prevedel, W. Ecker, M. Mücke // Applications in Engineering Science. – 2021. – Vol. 5. – P. 100030. – DOI: 10.1016/j.apples.2020.100030.

34. Predicting the induction hardened case in 42CrMo4 cylinder / M. Areitioaurtena, U. Segurajauregi, I. Urresti, M. Fisk, E. Ukar // Procedia CIRP. – 2020. – Vol. 87. – P. 545–550. – DOI: 10.1016/j.procir.2020.02.034.

35. On the role of grain size on slurry erosion behavior of a novel medium-carbon, low-alloy pipeline steel after induction hardening / V. Javaheri, O. Haiko, S. Sadeghpour, K. Valtonen, J. Kömi, D. Porter // Wear. – 2021. – Vol. 476. – P. 203678. – DOI: 10.1016/j.wear.2021.203678.

36. Hammouma C., Zeroug H. Enhanced frequency adaptation approaches for series resonant inverter control under workpiece permeability effect for induction hardening applications // Engineering Science and Technology, an International Journal. – 2021. – DOI: 10.1016/j.jestch.2021.05.010.

37. Скиба В.Ю. Гибридное технологическое оборудование: повышение эффективности ранних стадий проектирования комплексированных металлообрабатывающих станков // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2019. – Т. 21, № 2. – С. 62–83. – DOI: 10.17212/1994-6309-2019-21.2-62-83.

38. Simulation of induction hardening: simulative sensitivity analysis with respect to material parameters and the surface layer state / F. Mühl, J. Damon, S. Dietrich, V. Schulze // Computational Materials Science. – 2020. – Vol. 184. – P. 109916. – DOI: 10.1016/j.commatsci.2020.109916.

39. Анализ напряженно-деформированного состояния материала при высокоэнергетическом нагреве токами высокой частоты / В.Ю. Скиба, В.Н. Пушнин, И.А. Ерохин, Д.Ю. Корнев // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2014. – № 3 (64). – С. 90–102.

40. Numerical simulation of martensitic transformation plasticity of 42CrMo steel based on spot continual induction hardening model / H. Zhong, Z. Wang, J. Gan, X. Wang, Y. Yang, J. He, T.T. Wei, X. Qin // Surface and Coatings Technology. – 2020. – Vol. 385. – P. 125428. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2020.125428.

41. Головин Г.Ф., Зимин Н.В. Технология термической обработки металлов с применением индукционного нагрева. – Л.: Машиностроение, 1990. – 87 с. – ISBN 5-217-00926-8.

42. Шепеляковский К.З. Упрочнение деталей машин поверхностной закалкой при индукционном нагреве. – М.: Машиностроение, 1972. – 288 с.

43. Skeeba V.Y., Ivancivsky V.V., Martyushev N.V. Peculiarities of High-Energy Induction Heating during Surface Hardening in Hybrid Processing Conditions // Metals. – 2021. – Vol. 11, iss. 9. – P. 1354. – DOI: 10.3390/met11091354.

44. Numerical simulation of temperature field in steel under action of electron beam heating source / V.Yu. Skeeba, V.V. Ivancivsky, N.V. Martyushev, D.V. Lobanov, N.V. Vakhrushev, A.K. Zhigulev // Key Engineering Materials. – 2016. – Vol. 712. – P. 105–111. – DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.712.105.

45. The features of steel surface hardening with high energy heating by high frequency currents and shower cooling / V.V. Ivancivsky, V.Yu. Skeeba, I.A. Bataev, D.V. Lobanov, N.V. Martyushev, O.V. Sakha, I.V. Khlebova // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2016. – Vol. 156. – Art. 012025. – DOI: 10.1088/1757-899X/156/1/012025.

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

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

48. 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.

49. 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, N 10. – P. 901–905. – DOI: 10.3103/S1068798X17100112.

50. 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, N  2. – P. 78–86. – DOI: 10.20965/ijat.2007.p0078.

51. 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, N 2. – P. 87–93. – DOI: 10.20965/ijat.2007.p0087.

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

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

54. 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.

55. Врагов Ю.Д. Анализ компоновок металлорежущих станков: основы компонетики. – М.: Машиностроение, 1978. – 208 с.

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

57. 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.

58. 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.

59. Integrated processing: quality assurance procedure of the surface layer of machine parts during the manufacturing step "diamond smoothing" / V.Yu. Skeeba, V.V. Ivancivsky, D.V. Lobanov, A.K. Zhigulev, P.Yu. Skeeba // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2015. – Vol. 25. – P. 012031. – DOI: 10.1088/1757-899X/125/1/012031.

60. Балакшин Б.С. Основы технологии машиностроения. – М.: Машиностроение, 1969. – 560 с.

61. Иващенко И.А. Технологические размерные расчеты и способы их автоматизации. – М.: Машиностроение, 1975. – 222 с.

62. ASM Handbook. Vol. 9. Metallography and Microstructures / ed. by G.F. Vander Voort. – Materials Park, Ohio, USA: ASM International, 2004. – 1184 p. – ISBN 978-0-87170-706-2.

63. Totten G.E., Howes M., Inoue T. Handbook of residual stress and deformation of steel. – Materials Park, Ohio: ASM International, 2002. – 499 p. – ISBN 978-0-87170-729-1.

64. Springer handbook of experimental solid mechanics / ed. by W.N. Sharpe. – Leipzig; New York: Springer Science and Business Media, 2008. – 1098 p. – ISBN 978-0-387-26883-5.

65. Головин Г.Ф., Замятнин М.М. Высокочастотная термическая обработка: вопросы металловедения и технологии. – Л.: Машиностроение, 1990. – 239 с.