ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. В аэрокосмической технике для хранения гелия высокого давления применяются тонкостенные титановые шар-баллоны, получаемые сваркой двух прецизионно обработанных полусфер. Геометрическая точность сферических поверхностей и качество подготовки кромок под сварку определяют герметичность и ресурс изделия при рабочих давлениях до 34 МПа и температурах до −196 °C. Пониженная жесткость тонкостенных полусфер делает процесс их механической обработки критически зависимым от схем базирования, усилий закрепления и режимов резания. В контексте концепции Индустрии 4.0 и возрастающей потребности станкоинструментальной промышленности в гибридном станочном оборудовании, интегрирующем механические и поверхностно-термические операции, актуальным становится формирование модульных роботизированных участков, обеспечивающих многофункциональную обработку при сокращенном числе переустановов и повышенной производственной гибкости. Однако существующие методологические подходы к проектированию подобных систем зачастую не учитывают многозадачность, сложность предпроектных исследований и требования модульности конструкции. Целью настоящей работы является разработка технологического решения механической обработки тонкостенных титановых полусфер шар-баллонов с использованием компьютерного моделирования, обеспечивающего выполнение требований к точности сферических поверхностей и подготовке кромок под сварку, а также повышение эффективности обработки за счет минимизации риска деформаций, сокращения числа переустановов и снижения времени технологической подготовки при внедрении процесса в состав роботизированного участка модульного типа. Методы исследования. Выполнен анализ конструктивно-технологических требований к полусферам и условиям их механической обработки; проведены расчеты режимов резания; осуществлен сравнительный выбор станочного оборудования по системе критериев производственной эффективности; проведена верификация технологических решений в системе автоматизированной подготовки производства СПРУТКАМ с учетом кинематики оборудования. Результаты и обсуждение. Сформированы требования к точности и шероховатости обработанных поверхностей: для внутренней сферы Ra = 0,8 мкм, для наружной сферы Ra = 3,2 мкм. Составлена маршрутная карта обработки, обеспечивающая минимизацию переустановов и снижение риска деформаций тонкостенной оболочки. По совокупности критериев производственной эффективности обоснован выбор вертикального токарно-фрезерного центра DN Solutions PUMA VTS 1214M, обеспечивающего совмещение токарных и фрезерных операций в одном установе, что отвечает принципам интегральной обработки на базе токарного станка с ЧПУ. Составлена и визуализирована схема базирования заготовки с применением специального кольцевого прижимного приспособления. Имитационное моделирование подтвердило реализуемость маршрута, корректность установов и отсутствие коллизий «инструмент – деталь – оснастка», а также показало возможность значительного снижения подготовительно-наладочных затрат при внедрении процесса. Результаты работы вносят вклад в развитие теоретических основ и концептуальных подходов к проектированию гибридного станочного оборудования, интегрирующего механические и поверхностно-термические технологические операции.

1. Создание передовой технологии и оборудования для изготовления титановых шар-баллонов / И.В. Ломакин, А.Ю. Рязанцев, С.С. Юхневич, А.А. Широкожухова // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. – 2021. – № 12. – С. 37–43. – DOI: 10.18698/0536-1044-2021-12-37-43. – EDN: KTLCCT.

2. ГОСТ 19807–91. Титан и сплавы титановые деформируемые. Марки. – М.: Изд-во стандартов, 1991. – 6 с.

3. Sun S., Brandt M., Dargusch M.S. Characteristics of cutting forces and chip formation in machining of titanium alloys // International Journal of Machine Tools and Manufacture. – 2009. – Vol. 49 (7–8). – P. 561–568. – DOI: 10.1016/j.ijmachtools.2009.02.008.

4. Predictive modeling of deformation induced by residual stress for thin-walled parts in double-sided alternating precision turning / S. Qi, S. Yan, J. Xu, Y. Sun // Journal of Manufacturing Processes. – 2025. – Vol. 146. – P. 19–29. – DOI: 10.1016/j.jmapro.2025.04.085.

5. A review of the deformation mechanism and control of low stiffness thin-walled parts / H. Sun, J. Zhao, Z. Zheng, Y. Jiang, X. Jin, S. Deng, Y. Tang, X. Zhang // CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology. – 2025. – Vol. 60. – P. 322–355. – DOI: 10.1016/j.cirpj.2025.05.007.

6. Research progress in machining technology of aerospace thin-walled components / Z. Li, Z. Zeng, Y. Yang, Z. Ouyang, P. Ding, J. Sun, S. Zhu // Journal of Manufacturing Processes. – 2024. – Vol. 119. – P. 463–482. – DOI: 10.1016/j.jmapro.2024.03.111.

7. Wang L., Zhao H. A short review on machining deformation control of aero-engine thin-walled casings // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2022. – Vol. 121 (5). – P. 2971–2985. – DOI: 10.1007/s00170-022-09546-w.

8. Ugras R.C., Altintas Y. Optimization of clamping conditions in thin-walled part machining to minimize forced vibrations, Part I: Model for the single tool-workpiece contact location // CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology. – 2025. – Vol. 61. – P. 103–113. – DOI: 10.1016/j.cirpj.2025.05.015.

9. Delport L.D., Conradie P.J.T., Oosthuizen G.A. Suitable clamping method for milling of thin-walled Ti6Al4V components // Procedia Manufacturing. – 2017. – Vol. 8. – P. 338–344. – DOI: 10.1016/j.promfg.2017.02.043.

10. Fixturing technology and system for thin-walled parts machining: a review / H. Liu, C. Wang, T. Li, Q. Bo, K. Liu, Y. Wang // Frontiers of Mechanical Engineering. – 2022. – Vol. 17 (4). – P. 55. – DOI: 10.1007/s11465-022-0711-5.

11. Yadav M.H., Mohite S.S. Controlling deformations of thin-walled Al 6061-T6 components by adaptive clamping // Procedia Manufacturing. – 2018. – Vol. 20. – P. 509–516. – DOI: 10.1016/j.promfg.2018.02.076.

12. An adaptive clamp system for deformation control of aerospace thin-walled parts / W. Zhou, F. Yu, J. Zhang, K. Huang, Z. Xu, X. Liu, Y. Ma, P. Feng, F. Feng // Journal of Manufacturing Processes. – 2023. – Vol. 107. – P. 115–125. – DOI: 10.1016/j.jmapro.2023.10.040.

13. Gang L. Study on deformation of titanium thin-walled part in milling process // Journal of Materials Processing Technology. – 2009. – Vol. 209 (6). – P. 2788–2793. – DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2008.06.029.

14. Унянин А.Н., Чуднов А.В. Исследование влияния элементов режима и шага зубьев фрезы на технологические параметры и температурное поле процесса обработки заготовок тонкостенных деталей // Наукоемкие технологии в машиностроении. – 2024. – № 1 (151). – С. 23–29. – DOI: 10.30987/2223-4608-2024-23-29. – EDN: DADXIS.

15. A state-of-art review on chatter and geometric errors in thin-wall machining processes / G. Wu, G. Li, W. Pan, I. Raja, X. Wang, S. Ding // Journal of Manufacturing Processes. – 2021. – Vol. 68, pt. A. – P. 454–480. – DOI: 10.1016/j.jmapro.2021.05.055.

16. Identification of chatter in milling of Ti-6Al-4V titanium alloy thin-walled workpieces based on cutting force signals and surface topography / J. Feng, Z. Sun, Z. Jiang, L. Yang // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2016. – Vol. 82. – P. 1909–1920. – DOI: 10.1007/s00170-015-7509-0.

17. Rakic S., Marjanovic U., Medic N. Advancements in smart manufacturing and Industry 4.0 // Applied Sciences. – 2025. – Vol. 15 (22). – P. 11903. – DOI: 10.3390/app152211903.

18. Brecher C., Esser M., Witt S. Interaction of manufacturing process and machine tool // CIRP Annals. – 2009. – Vol. 58 (2). – P. 588–607. – DOI: 10.1016/j.cirp.2009.09.005.

19. Current state and emerging trends in advanced manufacturing: process technologies / K. Raoufi, J.W. Sutherland, F. Zhao, A.F. Clarens, J.L. Rickli, Z. Fan, H. Huang, Y. Wang, W.J. Lee, N. Mathur, M.J. Triebe, S.S. Desabathina, K.R. Haapala // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2024. – Vol. 135. – P. 4089–4118. – DOI: 10.1007/s00170-024-14782-3.

20. Рыжикова Т.Н., Боровский В.Г. Исследование стратегических перспектив модернизации станкостроения // Экономический анализ: теория и практика. – 2017. – Т. 16 (5). – С. 835–850. – DOI: 10.24891/ea.16.5.835.

21. Grzesik W. Hybrid additive and subtractive manufacturing processes and systems: a review // Journal of Machine Engineering. – 2018. – Vol. 18 (4). – P. 5–24. – DOI: 10.5604/01.3001.0012.7629.

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

23. Moriwaki T. Multi-functional machine tool // CIRP Annals. – 2008. – Vol. 57 (2). – P. 736–749. – DOI: 10.1016/j.cirp.2008.09.004.

24. 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.

25. 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.

26. Grzesik W., Ruszaj A. Hybrid manufacturing processes: Physical fundamentals, modelling and rational applications. – Cham: Springer, 2021. – 234 p. – ISBN 978-3-030-77106-5. – DOI: 10.1007/978-3-030-77107-2.

27. Скиба В.Ю., Иванцивский В.В. Повышение эффективности поверхностно-термического упрочнения деталей машин в условиях совмещения обрабатывающих технологий, интегрируемых на единой станочной базе // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2021. – Т. 23, № 3. – С. 45–71. – DOI: 10.17212/1994-6309-2021-23.3-45-71.

28. Brecher C., Özdemir D. Integrative production technology: Theory and applications. – Cham: Springer International Publishing, 2017. – 1100 p. – ISBN 978-3-319-47451-9. – DOI: 10.1007/978-3-319-47452-6.

29. Mitsuishi M., Ueda K., Kimura F. Manufacturing systems and technologies for the new frontier. – London: Springer-Verlag, 2008. – 556 p. – DOI: 10.1007/978-1-84800-267-8.

30. Пирожков В.Е. Анализ систем хранения заготовительного материала титановых шар-баллонов. Проектирование автоматизированного участка хранения листового материала // Комплексная автоматизация проектирования и производства (КАПП(М)-2025): материалы III молодежной конференции (с международным участием), Москва, 16 мая 2025 г. – М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2025. – С. 176–185. – EDN: XSBNFW.

31. Матвеев С.С. Автоматизация модуля гидроабразивной резки заготовок из титановых листов для изготовления шар-баллонов // Комплексная автоматизация проектирования и производства (КАПП(М)-2025): материалы III молодежной конференции (с международным участием), Москва, 16 мая 2025 г. – М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2025. – С. 145–150. – EDN: KSNITZ.

32. Морозов А.А., Жаргалова А.Д. Совершенствование производственной системы для создания полусфер шар-баллонов из титановых листов // Русский инженер: сборник тезисов III Всероссийского конгресса с международным участием, Москва, 29–31 октября 2025 г. – М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2025. – С. 127–128. – EDN: AOVPZZ.

33. Власов В.В. Роботизированный модуль контрольных операций производства изделий ракетно-космической техники // Комплексная автоматизация проектирования и производства (КАПП(М)-2025): материалы III молодежной конференции (с международным участием), Москва, 16 мая 2025 г. – М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2025. – С. 114–118. – EDN: EBONFL.

34. Virtual process systems for part machining operations / Y. Altintas, P. Kersting, D. Biermann, E. Budak, B. Denkena, I. Lazoglu // CIRP Annals. – 2014. – Vol. 63 (2). – P. 585–605. – DOI: 10.1016/j.cirp.2014.05.007.

35. Колоскова А.В., Киселев И.А., Иванов И.И. Моделирование динамики процесса точения с учетом податливости обрабатываемой детали // Интернет-журнал «Науковедение». – 2017. – Т. 9, № 2. – С. 70. – EDN: YPQINX.

36. Finite element method analysis and control stratagem for machining deformation of thin-walled components / H. Ning, W. Zhigang, J. Chengyu, Z. Bing // Journal of Materials Processing Technology. – 2003. – Vol. 139 (1–3). – P. 332–336. – DOI: 10.1016/S0924-0136(03)00550-8.

37. Digital twin for smart manufacturing: a review of concepts towards a practical industrial implementation / L. Lattanzi, R. Raffaeli, M. Peruzzini, M. Pellicciari // International Journal of Computer Integrated Manufacturing. – 2021. – Vol. 34 (6). – P. 567–597. – DOI: 10.1080/0951192X.2021.1911003.

38. Digital Twin in manufacturing: A categorical literature review and classification / W. Kritzinger, M. Karner, G. Traar, J. Henjes, W. Sihn // IFAC-PapersOnLine. – 2018. – Vol. 51 (11). – P. 1016–1022. – DOI: 10.1016/j.ifacol.2018.08.474.

39. Review of applications of Digital Twins and Industry 4.0 for machining / L.R.R. da Silva, D.Y. Pimenov, R.B. da Silva, A. Ercetin, K. Giasin // Journal of Manufacturing and Materials Processing. – 2025. – Vol. 9 (7). – P. 211. – DOI: 10.3390/jmmp9070211.

40. Prediction of cutting force considering the influence of elastic deformation in ball end milling of thin-walled parts / W. Li, J. Ren, K. Shi, Y. Lu, J. Zhou // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2025. – Vol. 140 (7–8). – P. 4389–4403. – DOI: 10.1007/s00170-025-16557-w.

41. Recent progress in flexible supporting technology for aerospace thin-walled parts: a review / Y. Bao, B. Wang, Z. He, R. Kang, J. Guo // Chinese Journal of Aeronautics. – 2022. – Vol. 35 (3). – P. 10–26. – DOI: 10.1016/j.cja.2021.01.026.

42. Design and technological aspects of integrating multi-blade machining and surface hardening on a single machine base / V. Skeeba, V. Ivancivsky, A. Chernikov, N. Martyushev, N. Vakhrushev, K. Titova // Journal of Manufacturing and Materials Processing. – 2024. – Vol. 8 (5). – P. 200. – DOI: 10.3390/jmmp8050200.

43. ГОСТ 2789–73. Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики. – М.: Изд-во стандартов, 1973. – 7 с.

44. Ezugwu E.O., Wang Z.M. Titanium alloys and their machinability: a review // Journal of Materials Processing Technology. – 1997. – Vol. 68 (3). – P. 262–274. – DOI: 10.1016/S0924-0136(96)00030-1.

45. Ulutan D., Ozel T. Machining induced surface integrity in titanium and nickel alloys: a review // International Journal of Machine Tools and Manufacture. – 2011. – Vol. 51 (3). – P. 250–280. – DOI: 10.1016/j.ijmachtools.2010.11.003.

46. Жаргалова А.Д., Шляхтин О.О. Методика автоматизированного выбора режимов резания при токарной обработке тонкостенных деталей // Комплексная автоматизация проектирования и производства (КАПП-2024): Вторая научно-практическая конференция (с международным участием): материалы конференции, Москва, 01 ноября 2024 г. – М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2025. – С. 104–107. – EDN: RFVKNR.

47. Еремейкин П.А., Жаргалова А.Д. Автоматизация выбора рациональных режимов токарной обработки тонкостенных деталей // Инженерный журнал: наука и инновации. – 2017. – № 2 (62). – С. 4. – DOI: 10.18698/2308-6033-2017-2-1587. – EDN: XIEUHR.

48. Еремейкин П.А., Жаргалова А.Д., Гаврюшин С.С. Расчетно-экспериментальная оценка технологических деформаций при «мягких» режимах токарной обработки тонкостенных деталей // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2018. – Т. 20, № 1. – С. 22–32. – DOI: 10.17212/1994-6309-2018-20.1-22-32.

49. Жиляев С.В., Кугультинов Д.С. Влияние режимов резания на усадку стружки при точении титанового сплава ВТ6 // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. – 2011. – № 3. – C. 48–50. – URL: https://cyberleninka.ru/article/n/vliyanie-rezhimov-rezaniya-na-usadku-struzhki-pri-tochenii-titanovogo-splava-vt6 (дата обращения: 06.01.2026).

50. О «мягких» режимах резания для обработки тонкостенных деталей / А.Д. Жаргалова, С.С. Гаврюшин, Г.П. Лазаренко, В.И. Семисалов // Интернет-журнал «Науковедение». – 2016. – Т. 8, № 6 (37). – С. 117. – EDN: XXYHIJ.

51. DN Solutions (Doosan Machine Tools). PUMA VTS series. Product brochure (PDF). – URL: https://www.dormaccncsolutions.nl/images/brochures/doosan/draaibanken/PUMA_VTS_series.pdf (accessed: 19.01.2026).

52. EMAG. VLC 500/800/1200. Vertical multifunctional turning cells. Product brochure (PDF). – URL: https://oudereimer.nl/wp-content/uploads/2021/03/vlc-500-800-1200_en-1.pdf (accessed: 19.01.2026).

53. SprutCAM. SprutCAM X Documentation (v.17 User Manuals). – URL: https://sprutcam.com/documentation/ (accessed: 19.01.2026).

54. Multi-process aerospace components: Residual stress modeling and deformation optimization / X. Jiang, N. Sun, F. Ren, X. Liu, W. Guo, M. Guo, X. Fan, J. Zhou // International Journal of Mechanical Sciences. – 2026. – Vol. 309. – P. 111077. – DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2025.111077.

55. Sun S., Brandt M., Dargusch M.S. Thermally enhanced machining of hard-to-machine materials – A review // International Journal of Machine Tools and Manufacture. – 2010. – Vol. 50 (8). – P. 663–680. – DOI: 10.1016/j.ijmachtools.2010.04.008.

56. Thin-walled part machining process parameters optimization based on finite-element modeling of workpiece vibrations / S. Bolsunovskiy, V. Vermel, G. Gubanov, I. Kacharava, A. Kudryashov // Procedia CIRP. – 2013. – Vol. 8. – P. 276–280. – DOI: 10.1016/j.procir.2013.06.102.

57. Технологическая оснастка / В.Г. Мальцев, А.П. Моргунов, Н.С. Морозова, Р.Л. Артюх. – Омск: ОмГТУ, 2019. – 134 с. – ISBN 978-5-8149-2951-8.