Том 25 № 2 2023 1 СОДЕРЖАНИЕ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ СОУЧРЕДИТЕЛИ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» ООО НПКФ «Машсервисприбор» ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР Батаев Анатолий Андреевич – профессор, доктор технических наук, ректор НГТУ ЗАМЕСТИТЕЛИ ГЛАВНОГО РЕДАКТОРА Иванцивский Владимир Владимирович – доцент, доктор технических наук Скиба Вадим Юрьевич – доцент, кандидат технических наук Ложкина Елена Алексеевна – редактор перевода текста на английский язык, кандидат технических наук Перепечатка материалов из журнала «Обработка металлов» возможна при обязательном письменном согласовании с редакцией журнала; ссылка на журнал при перепечатке обязательна. За содержание рекламных материалов ответственность несет рекламодатель. 16+ РЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТ Председатель совета Пустовой Николай Васильевич – доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ, член Национального комитета по теоретической и прикладной механике, президент НГТУ, г. Новосибирск (Российская Федерация) Члены совета Федеративная Республика Бразилия: Альберто Морейра Хорхе, профессор, доктор технических наук, Федеральный университет, г. Сан Карлос Федеративная Республика Германия: Монико Грайф, профессор, доктор технических наук, Высшая школа Рейн-Майн, Университет прикладных наук, г. Рюссельсхайм, Томас Хассел, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен, Флориан Нюрнбергер, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен Испания: Чувилин А.Л., кандидат физико-математических наук, профессор, научный руководитель группы электронной микроскопии «CIC nanoGUNE», г. Сан-Себастьян Республика Беларусь: Пантелеенко Ф.И., доктор технических наук, профессор, член-корреспондент НАН Беларуси, Заслуженный деятель науки Республики Беларусь, Белорусский национальный технический университет, г. Минск Украина: Ковалевский С.В., доктор технических наук, профессор, проректор по научно-педагогической работе Донбасской государственной машиностроительной академии, г. Краматорск Российская Федерация: Атапин В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Балков В.П., зам. ген. директора АО «ВНИИинструмент», канд. техн. наук, г. Москва, Батаев В.А., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Буров В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Коротков А.Н., доктор техн. наук, профессор, академик РАЕ, КузГТУ, г. Кемерово, Лобанов Д.В., доктор техн. наук, доцент, ЧГУ, г. Чебоксары, Макаров А.В., доктор техн. наук, член-корреспондент РАН, ИФМ УрО РАН, г. Екатеринбург, Овчаренко А.Г., доктор техн. наук, профессор, БТИ АлтГТУ, г. Бийск, Сараев Ю.Н., доктор техн. наук, профессор, ИФПМ СО РАН, г. Томск, Янюшкин А.С., доктор техн. наук, профессор, ЧГУ, г. Чебоксары Журнал входит в «Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук». Полный текст журнала «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» теперь можно найти в базах данных компании EBSCO Publishing) на платформе EBSCOhost. EBSCO Publishing является ведущим мировым агрегатором научных и популярных изданий, а также электронных и аудиокниг. ИЗДАЕТСЯ С 1999 г. Периодичность – 4 номера в год ИЗДАТЕЛЬ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» Журнал включен в Реферативный журнал и Базы данных ВИНИТИ. Сведения о журнале ежегодно публикуются в международной справочной системе по периодическим и продолжающимся изданиям «Ulrich’s Periodicals Directory» Журнал награжден в 2005 г. Большой Золотой Медалью Сибирской Ярмарки за освещение новых технологий, инструмента, оборудования для обработки металлов Журнал зарегистрирован 01.03.2021 г. Федеральной службой по надзору за соблюдением законодательства в сфере массовых коммуникаций и охране культурного наследия. Свидетельство о регистрации ПИ № ФС77-80400 Индекс: 70590 по каталогу OOO «УП УРАЛ-ПРЕСС» Адрес редакции и издателя: 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, Новосибирский государственный технический университет (НГТУ), корп. 5. Тел. +7 (383) 346-17-75 Сайт журнала http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru Цена свободная Журнал «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» индексируется в крупнейших в мире реферативнобиблиографическихи наукометрических базах данных Web of Science и Scopus.
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 2 2023 2 СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОЛОГИЯ Кисель А.Г., Чуранкин В.Г. Прогнозирование смазочных свойств СОЖ по их плотности и смачивающему действию................................................................................................................................................ 6 Березин И.М., Залазинский А.Г., Крючков Д.И. Аналитическая модель равноканального углового прессования титановой губки............................................................................................................................ 17 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Куц В.В., Чевычелов С.А. Теоретическое исследование кривизны обработанной поверхности при косоугольном фрезеровании сборными фрезами.................................................................................... 32 Скиба В.Ю., Зверев Е.А., Скиба П.Ю., Черников А.Д., Попков А.С. Гибридное технологическое оборудование: к вопросу рационального выбора объектов модернизации при проведении работ, связанных с дооснащением стандартной станочной системы дополнительным концентрированным источником энергии........................................................................................................................................... 45 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Воронцов А.В., Филиппов А.В., Шамарин Н.Н., Москвичев Е.Н., Новицкая О.С., Княжев Е.О., Денисова Ю.А., Леонов А.А., Денисов В.В. In-situ анализ многослойных покрытий ZrN/CrN в процессе термического воздействия........................................................................................................ 68 Корниенко Е.Е., Гуляев И.П., Кузьмин В.И., Тамбовцев А.С., Тырышкин П.А. Структура и свойства покрытий WC-10Co4Cr, полученных высокоскоростным плазменным напылением............................. 81 Балановский А. Е., Нгуен В. В., Астафьева Н.А., Гусев Р.Ю. Структура и свойства низкоуглеродистой стали после плазменной наплавки борсодержащей обмазки......................................................................... 93 Эмурлаева Ю.Ю., Лазуренко Д.В., Батаева З.Б., Петров И.Ю., Довженко Г.Д., Макагон Л.Д., Хомяков М.Н., Эмурлаев К.И., Батаев И.А. Оценка энергии формирования вакансий в ОЦК-, ГЦК- и ГПУ-металлах с использованием теории функционала плотности........................................................... 104 МАТЕРИАЛЫ РЕДАКЦИИ 117 МАТЕРИАЛЫ СОУЧЕРЕДИТЕЛЕЙ 127 Корректор Е.Е. Татарникова Художник-дизайнер А.В. Ладыжская Компьютерная верстка Н.В. Гаврилова Налоговая льгота – Общероссийский классификатор продукции Издание соответствует коду 95 2000 ОК 005-93 (ОКП) Подписано в печать 05.06.2023. Выход в свет 15.06.2023. Формат 60×84 1/8. Бумага офсетная. Усл. печ.л. 16,0. Уч.-изд. л. 29,76. Изд. № 116. Заказ 173. Тираж 300 экз. Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Vol. 25 No. 2 2023 3 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL BOARD EDITOR-IN-CHIEF: Anatoliy A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Rector, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation DEPUTIES EDITOR-IN-CHIEF: Vladimir V. Ivancivsky, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Vadim Y. Skeeba, Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Editor of the English translation: Elena A. Lozhkina, Ph.D. (Engineering), Department of Material Science in Mechanical Engineering, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation The journal is issued since 1999 Publication frequency – 4 numbers a year Data on the journal are published in «Ulrich's Periodical Directory» Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working and Material Science”) has been Indexed in Clarivate Analytics Services. Novosibirsk State Technical University, Prospekt K. Marksa, 20, Novosibirsk, 630073, Russia Tel.: +7 (383) 346-17-75 http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru Journal “Obrabotka Metallov – Metal Working and Material Science” is indexed in the world's largest abstracting bibliographic and scientometric databases Web of Science and Scopus. Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working & Material Science”) has entered into an electronic licensing relationship with EBSCO Publishing, the world's leading aggregator of full text journals, magazines and eBooks. The full text of JOURNAL can be found in the EBSCOhost™ databases.
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 2 2023 4 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL COUNCIL CHAIRMAN: Nikolai V. Pustovoy, D.Sc. (Engineering), Professor, President, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation MEMBERS: The Federative Republic of Brazil: Alberto Moreira Jorge Junior, Dr.-Ing., Full Professor; Federal University of São Carlos, São Carlos The Federal Republic of Germany: Moniko Greif, Dr.-Ing., Professor, Hochschule RheinMain University of Applied Sciences, Russelsheim Florian Nürnberger, Dr.-Ing., Chief Engineer and Head of the Department “Technology of Materials”, Leibniz Universität Hannover, Garbsen; Thomas Hassel, Dr.-Ing., Head of Underwater Technology Center Hanover, Leibniz Universität Hannover, Garbsen The Spain: Andrey L. Chuvilin, Ph.D. (Physics and Mathematics), Ikerbasque Research Professor, Head of Electron Microscopy Laboratory “CIC nanoGUNE”, San Sebastian The Republic of Belarus: Fyodor I. Panteleenko, D.Sc. (Engineering), Professor, First Vice-Rector, Corresponding Member of National Academy of Sciences of Belarus, Belarusian National Technical University, Minsk The Ukraine: Sergiy V. Kovalevskyy, D.Sc. (Engineering), Professor, Vice Rector for Research and Academic Aff airs, Donbass State Engineering Academy, Kramatorsk The Russian Federation: Vladimir G. Atapin, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Victor P. Balkov, Deputy general director, Research and Development Tooling Institute “VNIIINSTRUMENT”, Moscow; Vladimir A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Vladimir G. Burov, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Aleksandr N. Korotkov, D.Sc. (Engineering), Professor, Kuzbass State Technical University, Kemerovo; Dmitry V. Lobanov, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary; Aleksey V. Makarov, D.Sc. (Engineering), Corresponding Member of RAS, Head of division, Head of laboratory (Laboratory of Mechanical Properties) M.N. Miheev Institute of Metal Physics, Russian Academy of Sciences (Ural Branch), Yekaterinburg; Aleksandr G. Ovcharenko, D.Sc. (Engineering), Professor, Biysk Technological Institute, Biysk; Yuriy N. Saraev, D.Sc. (Engineering), Professor, Institute of Strength Physics and Materials Science, Russian Academy of Sciences (Siberian Branch), Tomsk; Alexander S. Yanyushkin, D.Sc. (Engineering), Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary
Vol. 25 No. 2 2023 5 CONTENTS OBRABOTKAMETALLOV TECHNOLOGY Kisel’ A.G., Churankin V.G. Predicting the coolant lubricating properties based on its density and wetting eff ect.................................................................................................................................................................... 6 Berezin I.M., Zalazinsky A.G., Kryuchkov D.I. Analytical model of equal-channel angular pressing of titanium sponge.............................................................................................................................................. 17 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Kuts V.V., Chevychelov S.A. Theoretical study of the curvature of the treated surface during oblique milling with prefabricated milling cutters....................................................................................................................... 32 Skeeba V.Yu., Zverev E.A., Skeeba P.Yu., Chernikov A.D., Popkov A.S. Hybrid technological equipment: on the issue of a rational choice of objects of modernization when carrying out work related to retrofi tting a standard machine tool system with an additional concentrated energy source................................................ 45 MATERIAL SCIENCE Vorontsov A.V., Filippov A.V., Shamarin N.N., Moskvichev E.N., Novitskaya O.S., Knyazhev E.O., Denisova Yu.A., Leonov A.A., Denisov V.V. In-situ analysis of ZrN/CrN multilayer coatings under heating................................................................................................................................................................. 68 Kornienko E.E., Gulyaev I.P., Kuzmin V.I., Tambovtsev A.S., Tyryshkin P.A. Structure and properties of WC-10Co4Cr coatings obtained with high velocity atmospheric plasma spraying.................................... 81 Balanovsky A.E., Nguyen V.V., Astafi eva N.A., Gusev R.Yu. Structure and properties of low carbon steel after plasma-jet hard-facing of boron-containing coating............................................................................. 93 Emurlaeva Yu.Yu., Lazurenko D.V., Bataeva Z.B., Petrov I.Yu., Dovzhenko G.D., Makogon L.D., Khomyakov M.N., Emurlaev K.I., Bataev I.A. Evaluation of vacancy formation energy for BCC-, FCC-, and HCP-metals using density functional theory................................................................................................ 104 EDITORIALMATERIALS 117 FOUNDERS MATERIALS 127 CONTENTS
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 2 2023 45 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Гибридное технологическое оборудование: к вопросу рационального выбора объектов модернизации при проведении работ, связанных с дооснащением стандартной станочной системы дополнительным концентрированным источником энергии Вадим Скиба 1, a, *, Егор Зверев 1, b, Павел Скиба 2, с, Алексей Черников 3, 1, d, Андрей Попков 1, e 1 Новосибирский государственный технический университет, пр. К. Маркса, 20, г. Новосибирск, 630073, Россия 2 АО «Новосибирский стрелочный завод», ул. Аксенова, 7, г. Новосибирск, 630025, Россия 3 ОАО «ГЛК-Промышленные технологии», ул. Большевистская, 177, цех 16, г. Новосибирск, 630083, Россия a https://orcid.org/0000-0002-8242-2295, skeeba_vadim@mail.ru, b https://orcid.org/0000-0003-4405-6623, egor_z@ngs.ru, c https://orcid.org/0000-0002-0327-992X, Pavel_skeeba_ptm@mail.ru, d https://orcid.org/0009-0006-9412-7687, aleksey.chernikov.97@mail.ru, e https://orcid.org/0009-0006-5587-9990, andrej.popkov.2013@mail.ru Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2023 Том 25 № 2 с. 45–67 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2023-25.2-45-67 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 621.9.06(07): 621.785 История статьи: Поступила: 15 марта 2023 Рецензирование: 17 апреля 2023 Принята к печати: 15 мая 2023 Доступно онлайн: 15 июня 2023 Ключевые слова: Гибридное оборудование Многолезвийная механическая обработка Высокоэнергетический нагрев Резание Индукционная закалка Финансирование Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-29-00945, https://rscf.ru/ project/23-29-00945/. Благодарности Исследования выполнены на оборудовании ЦКП «Структура, механические и физические свойства материалов» (соглашение с Минобрнауки № 13.ЦКП.21.0034). АННОТАЦИЯ Введение. Повышение конкурентоспособности выпускаемой продукции невозможно без достижения высоких показателей ресурсо- и энергосбережения при обеспечении современными станочными системами должного уровня производственной гибкости в совокупности с гарантированно высокими значениями производительности обработки и требуемым уровнем качества изготовления деталей. Недостаточный или избыточный запас возможностей технологического оборудования приводит к снижению его экономической эффективности, повышению капитальных затрат и, как следствие, удорожанию продукции. В станкостроении – стратегически значимой и базовой отрасли для модернизации машиностроения – 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 операций) в условиях интегрального оборудования позволяет нивелировать недостатки монотехнологий и получить новые эффекты, недостижимые при использовании технологий по отдельности. Обеспечение оптимального уровня качества – одного из безусловных требований рыночной экономики – является приоритетной задачей при разработке общей концепции технологического оборудования. Таким образом, следует отметить, что требуемый и определенный комплекс потребительских свойств закладывается при проектировании. Следовательно, задача оптимизации качества относится к области прогностики и должна комплексно решаться на начальном этапе разработки концепции технологического оборудования. Цель настоящих исследований заключается в рациональном выборе объектов модернизации при проведении работ, связанных с дооснащением стандартной станочной системы дополнительным концентрированным источником энергии. Методы. Теоретические 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. При проведении исследований были затронуты вопросы, связанные с основными положениями системного анализа, геометрической теорией формирования поверхностей, конструирования металлообрабатывающих станков, методов математического и компьютерного моделирования. Результаты и обсуждение. Теоретическими исследованиями было установлено, что в настоящее время большинство параметрических (типоразмерных) рядов металлорежущих станков общего назначения, построенных по закону геометрической прогрессии с постоянным знаменателем, являются причиной многократного дублирования отдельных размерных диапазонов на станках одного ряда. Это дает основание говорить о необоснованном увеличении количества его членов и, как следствие этого, росте расходов на проектирование, изготовление и эксплуатацию оборудования. Авторы придерживаются точки зрения, что для обеспечения максимальной эффективности гибридного металлообрабатывающего оборудования необходимо реализовать параметрический ряд, построенный с переменным знаменателем. Подобный принцип формирования параметрического ряда позволяет обеспечить практически равную вероятность обработки с максимальной производительностью поверхности любого размера при трехкратном перекрытии диапазонов. Произведена апробация методики формирования структуры параметрических рядов. Теоретически доказано, что при эксплуатации вертикально-фрезерных станков действующего параметрического ряда со знаменателем ϕ = 1,26 (ГОСТ 9726–89) имеет место многократное перекрытие отдельных размерных диапазонов, достигающих в определенном интервале размеров девятикратной величины, что, безусловно, отражается на эффективности действующего станочного парка. В свою очередь, при синтезе перспективного параметрического ряда вертикально-фрезерных станков с крестовым столом было показано, что новый параметрический ряд имеет меньшее количество членов. Сокращение номенклатуры выпускаемых и модернизируемых станков позволит повысить серийность их производства и снизить текущие расходы на ремонт и обслуживание, причем этот эффект достигается при сохранении гибкости станочного парка. Для цитирования: Гибридное технологическое оборудование: к вопросу рационального выбора объектов модернизации при проведении работ, связанных с дооснащением стандартной станочной системы дополнительным концентрированным источником энергии / В.Ю. Скиба, Е.А. Зверев, П.Ю. Скиба, А.Д. Черников, А.С. Попков // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2023. – Т. 25, № 2. – С. 45–67. – DOI: 10.17212/1994-6309-2023-25.2-45-67. ______ *Адрес для переписки Скиба Вадим Юрьевич, к.т.н., доцент, с.н.с Новосибирский государственный технический университет, пр. К. Маркса, 20, г. Новосибирск, 630073, Россия Тел.: 8 (383) 346-17-79, e-mail: skeeba_vadim@mail.ru
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 2 2023 46 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Введение В условиях интенсификации рыночного производства наблюдается стремление к сокращению энергетических, материальных и людских ресурсов, что приводит к необходимости повышения эффективности технологического оборудования в значительной мере за счет выбора наиболее рациональных технических характеристик. Эта тенденция, направленная на повышение энерго- и ресурсосбережения и обусловленная применением современных высокопроизводительных станочных систем, которые обладают необходимым уровнем производственной гибкости, ведет к росту конкурентоспособности выпускаемой продукции высокого качества [1–18]. Использование оборудования с запасом возможностей, недостаточным или превышающим требуемый, снижает экономическую эффективность и повышает уровень капитальных затрат, что приводит к увеличению себестоимости продукции [19, 20]. Одним из основных векторов развития современного машиностроения является разработка и создание высокотехнологичного оборудования. В станкостроении, ведущей машиностроительной отрасли, примером такого оборудования могут служить комплексированные металлообрабатывающие системы [21–32], в основу построения которых положен принцип полифункциональной интеграции [5, 7, 17, 21, 33–46]. Один из способов повысить технологический потенциал металлообрабатывающего оборудования [1, 5, 17, 21, 24, 26, 27, 38, 42, 44] – это интеграция нескольких технологических операций на одном гибридном станке (например, предварительное фрезерование – поверхностная закалка – чистовое фрезерование; абразивное шлифование – поверхностная закалка; точение – закалка – ультразвуковая упрочняюще-отделочная обработка; точение – закалка – алмазное выглаживание [28, 31, 37–64]), что дает возможность обеспечить автономную работу отдельных единиц оборудования в условиях гибкого производства. Это позволит сократить номенклатуру станочного парка, что в свою очередь приведет к уменьшению площадей цехов и предприятий в целом [1, 5, 7, 17, 21, 38, 62]. Решение производственных задач с применением такого оборудования будет менее ресурсозатратным и, кроме того, приведет к сокращению производственного цикла изготовления деталей машин (рис. 1). Рис. 1. Типовой технологический процесс (а) и технологический процесс при использовании гибридного металлообрабатывающего оборудования (б) Fig. 1. Typical manufacturing process (а) and manufacturing process with hybrid metalworking equipment (б) а б
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 2 2023 47 EQUIPMENT. INSTRUMENTS В традиционном процессе изготовления деталей отдельные операции (поверхностно-термического упрочнения и механической обработки) осуществляются на разном оборудовании и на разных участках цехов, что способствует появлению значительных погрешностей на каждой стадии технологического процесса: деформации материала при термической обработке, погрешности установки деталей на каждой единице оборудования. Всё это приводит к необходимости назначения больших припусков на чистовую обработку, которые могут составить до 30–40 % заданной глубины от упрочненного слоя [7, 17, 28, 38, 62]. Тогда необходимая глубина упрочнения, обеспечиваемая термической обработкой, должна быть несколько больше, чем указано в документации. Кроме того, наиболее эффективная часть упрочненного поверхностного слоя удаляется финишной механической обработкой. В результате использования такой технологии снижается производительность как поверхностно-термических, так и механических операций, а энергозатраты возрастают. Объединение двух этих процессов на одном оборудовании позволяет нивелировать указанные выше недостатки и достичь более высоких результатов. Разработанные технологические рекомендации, реализуемые на предлагаемом гибридном оборудовании, позволят повысить технико-экономическую эффективность производства и снизить потери [7, 17, 28, 38, 62, 64]. Внедрение предлагаемой новой технологии, в свою очередь, увеличит конкурентоспособность производимой продукции. На эффективность применения интегрированных технологий также оказывает значительное влияние снижение потерь времени на промежуточные и вспомогательные операции в общем технологическом процессе. Появлению нового метода обработки деталей, связанного с использованием радиочастот – высокоэнергетического нагрева токами высокой частоты (ВЭН ТВЧ), – способствовали разработки в области миниатюризации индукторов и оснащения их ферритовыми магнитопроводами. Предлагаемый метод на данный момент является одним из наиболее интересных методов упрочнения конструкционных сталей [38, 42, 65–70]. Его конкурентоспособность по отношению к другим методам упрочнения металла без оплавления (рис. 2), такими как лазер или электронный луч, обусловлено возможностью реализации технологического процесса закалки при удельных мощностях нагрева порядка 400 МВт/м2. Стоит отметить, что объединение двух процессов обработки (механического и поверхностнотермического) на единой станочной базе [7, 28, 38, 42, 62] обеспечивает постоянство требуемого зазора между индуктором и обрабатываемой деталью, который составляет 0,1 0, 2 δ = … ìì, что является необходимым условием обработки ВЭН ТВЧ. Создание нового стандартного оборудования связано с большими финансовыми и трудовыми затратами, в то время как модернизация существующих станков обходится значительно дешевле. Исходя из этого нами предлагается следующее решение: модернизация стандартного металлорежущего станка, которая заключается в дооснащении его дополнительным концентрированным источником энергии – например, генератором ТВЧ. В качестве источника энергии высокой концентрации нами будут рассмоРис. 2. Схема обработки при ВЭН ТВЧ Fig. 2. The scheme of HEH HFC processing
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 2 2023 48 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ трены генераторы типа СВЧ. Это обусловлено конструктивными особенностями стандартной станочной системы и современным уровнем развития микропроцессорной техники в области высокочастотных промышленных установок тиристорного типа [7, 28, 38, 42, 62]. Изменения, внесенные в процессе модернизации стандартной станочной системы, не должны оказать негативного влияния на качественные показатели оборудования. Исходя из требований рыночной экономики, обеспечение оптимального уровня качества изделий является приоритетной задачей, решение которой должно осуществляться уже на стадии разработки общей концепции технологического оборудования. Качество изделия обусловливается определенным комплексом потребительских свойств, заложенных на начальном этапе концептуального проектирования, что позволяет прогнозировать его оптимальный уровень. Так, например, выбор структуры параметрического (типоразмерного) ряда станков и обоснование технических характеристик его элементов должны осуществляться параллельно, что в условиях современного развития машиностроения является составной частью систем автоматического проектирования технологического оборудования [19, 20]. Несмотря на имеющиеся некоторые научные результаты в этом направлении, единая обобщенная теория решения данного вопроса отсутствует. Качество является многогранным и емким понятием, оно отображает ряд свойств рассматриваемого объекта, характеризующих способность продукции в соответствии со своим назначением удовлетворять определенные потребительские требования. С инженерной точки зрения качество оценивается методом сравнительного анализа совокупности свойств какого-либо изделия со свойствами эталона или аналогичного изделия, принятого за базу сравнения. Прогноз качества планируемого изделия следует начинать с определения минимального набора свойств, необходимых для его оценки. Свойства должны выбираться из системы фундаментальных категорий и понятий, и они должны быть значимыми. К ним относятся пространство и время – категории, отражающие формы существования материи: протяженность и взаиморасположение материальных объектов, длительность и последовательность смены событий. Как общая мера движения и взаимодействия всех видов материи используется еще одна категория – энергия [19, 20]. Однако свойств и описывающих их параметров или характеристик, присущих природным объектам, обычно оказывается недостаточно для описания созданных человеком технических систем. В таком случае необходимо воспользоваться стандартной номенклатурой основных групп показателей, позволяющей всесторонне оценить качество рассматриваемой продукции. В станкостроительной отрасли традиционно используют определенный набор частных и комплексных показателей, которые в большинстве случаев применяют при выборе оборудования для выполнения определенных функций, а также выявлении его технического уровня и конкурентоспособности [7, 17, 19, 20]. Эффективность, производительность, технологичность, гибкость, точность, надежность, эргономичность и эстетичность станочных систем, как правило, являются основными показателями качества оборудования. Очевидно, что при обосновании основных параметров и технических характеристик оборудования чаще всего оперируют их количественной оценкой: габаритами рабочей зоны (пространство), скоростными возможностями (время) и мощностью приводов (энергия). Дополнительные параметры, определяющие отличия одних объектов от других, в большинстве случаев могут быть представлены в виде качественных оценок – например, различными классами точности, типом управления (ручное или программное), архитектурой и другими характеристиками гибридных металлообрабатывающих станков [7, 17, 19, 20, 38, 42]. Разница между проектными возможностями оборудования и возможностями, необходимыми для осуществления своих функций в соответствии с назначением, представляет собой потери (избыточный или недостаточный запас способностей). К факторам, влияющим на возникновение потерь, можно отнести неполное использование рабочего пространства, мощность электродвигателя, диапазон частот вращения шпинделя и др. В качестве примера можно рассмотреть результаты исследования условий эксплуатации фрезерных станков с ЧПУ, показывающие, что при выполнении 90 % операций мощность, потре-
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 2 2023 49 EQUIPMENT. INSTRUMENTS бляемая приводом главного движения, составляет не более 50 % от номинального значения, грузоподъемность стола используется не более чем на 20 %, применяемые рабочие подачи фактически не превышают 1/6 от максимально допустимых и т. д. Для станков других групп наблюдается аналогичная ситуация [19, 20, 71, 72]. Результаты исследований зарубежных ученых практически идентичны отечественным. Данные, полученные для универсальных металлорежущих станков с ручным управлением и станков с ЧПУ, в части использования их технологических возможностей также не имеют значительных отличий. Цель настоящих исследований заключается в рациональном выборе объектов модернизации при проведении работ, связанных с дооснащением стандартной станочной системы дополнительным концентрированным источником энергии, в качестве которого может быть использован генератор ТВЧ. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи. 1. Предложить методику структурного анализа, позволяющую эффективно выполнять предпроектные исследования при разработке гибридного металлообрабатывающего оборудования. 2. Разработать метод формирования структуры параметрических рядов станочного оборудования с учетом равенства средних потерь производительности. Теория и методика экспериментального исследования Исполнительные движения гибридной металлообрабатывающей системы (ГМС) и необходимое количество их настраиваемых параметров определялись посредством применения структурно-кинематического синтеза механизмов металлорежущих станков [73–76]. Основные положения структурного синтеза и компонетики рассматриваемых систем, приведенные в работах [75–85], использовались для проведения исследований предполагаемого структурного состава и компоновки ГМС, в которой интегрированы механические операции и поверхностно-термическая обработка. При разработке интегрального металлообрабатывающего оборудования предполагается реализовать на одном из технологических переходов гибридного станка метод высокоэнергетического нагрева токами высокой частоты. Производящие линии обрабатываемой поверхности формируются локальными участками нагрева. Габариты этих линий обусловлены особенностями конструкции индукторов для ВЭН ТВЧ и определяются шириной активного провода индуктора и длиной ферритового магнитопровода (см. рис. 2). Очевидно, что для осуществления операций поверхностной закалки и формообразования методом фрезерования (рис. 3) требуются одинаковые согласованные относительные движения заготовки и режущего инструмента. Результаты структурно-кинематического анализа показали, что на всех переходах комплексированной обработки (предварительное фрезерование, закалка ВЭН ТВЧ и чистовое фрезерование) исполнительные движения и комплекс настраиваемых в них параметров идентичны. а б Рис. 3. Формообразование плоской поверхности: а – при механической обработке (фрезерование); б – при поверхностной закалке ВЭН ТВЧ индуктором петлевого типа с магнитопроводом Fig. 3. Generation of geometry (fl at surface): a – during machining (milling); б – during surface hardening by HEH HFC with loop inductor with a magnetic core
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1