Том 25 № 3 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 № 3 2023 2 СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОЛОГИЯ Салихянов Д.Р., Мичуров Н.С. Моделирование процесса прокатки слоистого композита АМг3/ Д16/АМг3............................................................................................................................................................ 6 Ильиных А.С., Пикалов А.С., Милорадович В.К., Галай М.С. Экспериментальные исследования режимов скоростного шлифования рельсов.................................................................................................... 19 Салихянов Д.Р., Мичуров Н.С. Концепция микромоделирования процесса соединения разнородных материалов пластической деформацией.......................................................................................................... 36 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Тратия Д.K., Шеладия М.В., Ачарья Г.Д., Ачарья Ш.Г. Разработка экономичной конструкции коленчатого вала механического пресса с С-образной станиной на основании результатов анализа топологии............................................................................................................................................................ 50 Скиба В.Ю., Вахрушев Н.В., Титова К.А., Черников А.Д. Рационализация режимов поверхностной закалки ВЭН ТВЧ рабочих поверхностей пуансона в условиях гибридной обработки............................. 63 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Руктуев А.А., Юргин А.Б., Шикалов В.С., Ухина А.В., Чакин И.К., Домаров Е.В., Довженко Г.Д. Структура и свойства композиционного покрытия на основе высокоэнтропийного сплава, упрочненного частицами CrB.................................................................................................................................... 87 Майтаков А.Л., Грачев А.В., Попов А.М., Ли С.Р., Ветрова Н.Т., Плотников К.Б. Исследование рассеяния энергии и жесткости сварных соединений стыковой сварки давлением................................... 104 Сингх С.П., Хирвани Ч.К. Анализ механических свойств и характеристик свободных колебаний волокнистого полимерного композита на основе обработанных волокон муньи........................................ 117 Прибытков Г.А., Барановский А.В., Коржова В.В., Фирсина И.А., Кривопалов В.П. Синтез интерметаллидов системы Ti–Fe из смесей элементарных порошков......................................................... 126 Сингх С.П., Хирвани Ч.К. Анализ механических свойств и характеристик свободных колебаний полимерного композита на основе переплетенных обработанных волокон джута..................................... 137 МАТЕРИАЛЫ РЕДАКЦИИ 152 МАТЕРИАЛЫ СОУЧЕРЕДИТЕЛЕЙ 163 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 06.09.2023. Выход в свет 15.09.2023. Формат 60×84 1/8. Бумага офсетная. Усл. печ.л. 20,5. Уч.-изд. л. 38,13. Изд. № 167. Заказ 245. Тираж 300 экз. Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Vol. 25 No. 3 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. 3 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. 3 2023 5 CONTENTS OBRABOTKAMETALLOV TECHNOLOGY Salikhyanov D.R., Michurov N.S. Simulation of the rolling process of a laminated composite AMg3/ D16/AMg3.......................................................................................................................................................... 6 Ilinykh A.S., Pikalov A.S., Miloradovich V.K., Galay M.S. Experimental studies of high-speed grinding rails modes.......................................................................................................................................................... 19 Salikhyanov D.R., Michurov N.S. The concept of microsimulation of processes of joining dissimilar materials by plastic deformation......................................................................................................................... 36 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Tratiya D.K., Sheladiya M.V., Acharya G.D., Acharya S.G. Economical crankshaft design through topology analysis for C type gap frame power press SNX-320.......................................................................... 50 Skeeba V.Yu., Vakhrushev N.V., Titova K.A., Chernikov A.D. Rationalization of modes of HFC hardening of working surfaces of a plug in the conditions of hybrid processing................................................................ 63 MATERIAL SCIENCE Ruktuev A.A., Yurgin A.B., Shikalov V.S., Ukhina A.V., Chakin I.K., Domarov E.V., Dovzhenko G.D. Structure and properties of HEA-based coating reinforced with CrB particles.................................................. 87 Maytakov A.L., Grachev A.V., Popov A.M., Li S.R., Vetrova N.T., Plotnikov K.B. Study of energy dissipation and rigidity of welded joints obtained by pressure butt welding................................................... 104 Singh S.P., Hirwani C.K. Analysis of mechanical behavior and free vibration characteristics of treated Saccharum munja fi ber polymer composite...................................................................................................... 117 Pribytkov G.A., Baranovskiy A.V., Korzhova V.V., Firsina I.A., Krivopalov V.P. Synthesis of Ti–Fe intermetallic compounds from elemental powders mixtures.............................................................................. 126 Singh S.P., Hirwani C.K. Free vibration and mechanical behavior of treated woven jute polymer composite............................................................................................................................................................ 137 EDITORIALMATERIALS 152 FOUNDERS MATERIALS 163 CONTENTS
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 3 2023 63 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Рационализация режимов поверхностной закалки ВЭН ТВЧ рабочих поверхностей пуансона в условиях гибридной обработки Вадим Скиба 1, a, *, Никита Вахрушев 1, b, Кристина Титова 1, с, Алексей Черников 2, 1, d 1 Новосибирский государственный технический университет, пр. К. Маркса, 20, г. Новосибирск, 630073, Россия 2 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/0000-0002-2273-5329, vah_nikit@mail.ru, c https://orcid.org/0000-0002-2708-3171, krispars@yandex.ru, d https://orcid.org/0009-0006-9412-7687, aleksey.chernikov.97@mail.ru Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2023 Том 25 № 3 с. 63–86 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2023-25.3-63-86 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: 14 июня 2023 Рецензирование: 14 июля 2023 Принята к печати: 27 июля 2023 Доступно онлайн: 15 сентября 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. Развитие кластера гибридных металлообрабатывающих систем в станкостроении сопряжено с рядом позитивных последствий. Во-первых, такие системы помогают сократить затраты на производство путем оптимизации использования ресурсов и энергии. Это особенно актуально в условиях повышенной конкуренции и стремления к экономии. Во-вторых, гибридные системы обеспечивают возможность производства качественной продукции с повышенной производительностью. Благодаря интеграции различных функций в одном технологическом оборудовании процессы металлообработки становятся более эффективными и точными. Это позволяет снизить количество брака и повысить качество конечной продукции. Кроме того, гибридные металлообрабатывающие системы обладают автономной функциональностью, что особенно важно в гибком машиностроительном производстве, где требуется быстрая переналадка и адаптация к различным производственным задачам. Таким образом, гибридные металлообрабатывающие системы представляют собой важный шаг в развитии современного машиностроения, способствующий сокращению затрат, повышению производительности и обеспечению высокого качества продукции. Цель данной работы заключается в повышении производительности и снижении энергозатрат при поверхностно-термическом упрочнении деталей машин посредством использования концентрированных источников энергии в условиях интегральной обработки. Теория и методы. Для достижения поставленной цели были проведены исследования возможного структурного состава и компоновки гибридного оборудования, интегрирующего механические и поверхностно-термические процессы. При разработке теории и методов были учтены основные положения структурного синтеза и компонентики металлообрабатывающих систем. Теоретические исследования основаны на применении системного анализа, геометрической теории формирования поверхностей и конструирования металлообрабатывающих станков. Эксперименты проводились на модернизированном многоцелевом обрабатывающем центре МС 032.06, оснащенном дополнительным источником энергии, в качестве которого использовался сверхвысокочастотный генератор тиристорного типа СВЧ-10 с рабочей частотой тока 440 кГц, реализующий высокоэнергетический нагрев токами высокой частоты. Структурные исследования производили с применением оптической и растровой микроскопии. Напряженно-деформированное состояние поверхностного слоя детали оценивали посредством механического и рентгеновского методов определения остаточных напряжений. Микротвердость 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, позволяющие осуществить высокоэнергетический нагрев токами высокой частоты (ВЭН ТВЧ) на стандартной станочной системе и создать наукоемкое технологическое оборудование с расширенными функциональными возможностями. Экспериментально подтверждено, что внедрение предлагаемого гибридного станка в производство в сочетании с рекомендациями по назначению режимов ВЭН ТВЧ при интегральной обработке деталей типа «пуансон» позволяет увеличить производительность поверхностной закалки в 36–40 раз и снизить энергозатраты в 6 раз. Для цитирования: Рационализация режимов поверхностной закалки ВЭН ТВЧ рабочих поверхностей пуансона в условиях гибридной обработки / В.Ю. Скиба, Н.В. Вахрушев, К.А. Титова, А.Д. Черников // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2023. – Т. 25, № 3. – С. 63–86. – DOI: 10.17212/1994-6309-2023-25.3-63-86. ______ *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.: +7 (383) 346-17-79, e-mail: skeeba_vadim@mail.ru
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 3 2023 64 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Введение В промышленно развитых странах объем продукции металлообработки составляет от 35 до 40 % от общего производства продукции [1–3]. В свою очередь, на промышленный сектор приходится более 50 % мирового потребления энергии, из которых на страны, не входящие в Организацию экономического сотрудничества и развития (ОЭСР), приходится до 67 %. Использование энергии и ресурсов в производственном секторе составляет порядка 40 % и 25 % мирового потребления соответственно. В последнее время концепция обеспечения устойчивого производства набирает обороты благодаря осознанию колоссального экологического воздействия, оказываемого на окружающую среду посредством значительного использования энергии и ресурсов [1–6]. Сложилось четкое понимание, что устойчивый рост производства возможен только лишь при реализации таких условий изготовления продукции, при которых используются процессы, сводящие к минимуму негативное воздействие на окружающую среду, сохраняющие энергию и природные ресурсы, безопасные для сотрудников, населения и потребителей и являющиеся экономически обоснованными. Следовательно, успех развития того или иного производства в значительной степени зависит от эффективного использования металлообрабатывающих станков. В связи с этим в стратегически важной и базовой отрасли машиностроения – станкостроении – сформировался кластер гибридных металлообрабатывающих систем, при проектировании и создании которых разработчики придерживаются принципа полифункциональной интеграции [4, 7–18]. Одним из вариантов такого высокотехнологичного интегрального оборудования являются станки, объединяющие несколько различных по природе технологических процессов (рис. 1). Например, это может быть фрезерование или точение с применением лазерного или плазменного нагрева (Laser Assisted Machining (LAM) или Plasma Assisted Machining (PAM)); абразивное шлифование – поверхностная закалка посредством дополнительного источника тепла; точение – закалка с использованием концентрированного источника энергии – ультразвуковая упрочняюще-отделочная обработка; токарная обработка – закалка высокоэнергетическим нагревом токами высокой частоты – алмазное выглаживание и др. [7, 14, 17, 19–70]. Стремление конструкторов к увеличению технологического потенциала станков и обеспечению автономной работы гибридного оборудования в гибком производстве привело к появлению и развитию данного класса оборудования [7–9, 14, 16–21, 32–37, 47]. Промышленное апробирование показало положительные результаты, подтверждающие существенное сокращение производственного цикла изготовления деталей а б в Рис. 1. Разновидности гибридных металлообрабатывающих станков, объединяющих механическую обработку с различными источниками тепла: а – фрезерование с применением индукционного нагрева; б – точение с применением плазменного нагрева; в – шлифование с применением лазера Fig. 1. Varieties of hybrid metalworking machines that combine machining with various heat sources: a – Induction Assisted Milling (IAM); б – Plasma Assisted Turning (PAT); в – Laser Assisted Grinding (LAG)
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 3 2023 65 EQUIPMENT. INSTRUMENTS машин и уменьшение ресурсозатрат при использовании таких систем [7, 10, 14, 20–74]. Объектом проведенных исследований является технологический процесс изготовления пуансона листогибочного пресса, включающий в себя следующие операции: механическая обработка – фрезерование и поверхностная закалка – высокоэнергетический нагрев токами высокой частоты (рис. 2). При разработке классического технологического процесса изготовления детали операции поверхностно-термического упрочнения и фрезерования традиционно проводятся на разном оборудовании и в разных цехах машиностроительного предприятия. В результате этого на термической операции необходимо получить упрочнение глубже, чем задано рабочим чертежом, а затем на финишной механической операции приходится удалять самую эффективную часть поверхностного слоя. Из-за такого подхода наблюдается снижение производительности как на поверхностно-термической, так и на механической операции, а также увеличение энергозатрат на обоих этапах технологического процесса [7, 14, 17, 21, 47, 61, 71–75]. Рис. 2. Схема обработки пуансона при ВЭН ТВЧ Fig. 2. Pattern of HEH HFC hardening of a punch Для решения указанной проблемы предлагается объединить две операции на одном металлообрабатывающем станке. С учетом современного развития микропроцессорной техники в области высокочастотных промышленных установок тиристорного типа [76–81], а также принципов удобного интегрирования в гибридную станочную систему в нашей работе мы рассматриваем использование высокочастотных генераторов типа СВЧ-10 мощностью 10 кВт [7, 14, 61, 82]. Актуальной задачей становится разработка новых методик назначения режимов обработки, которые будут учитывать взаимосвязь между объединяемыми операциями технологического процесса. Эти технологические рекомендации должны обеспечивать получение деталей с заранее заданной точностью и определенными физико-механическими свойствами их рабочих поверхностей [7, 14, 17, 47, 61, 71–75, 83]. Целью работы является разработка методики назначения рациональных режимов закалки ВЭН ТВЧ, обеспечивающих в условиях интегральной обработки повышение производительности и снижение энергозатрат при поверхностно-термическом упрочнении рабочих поверхностей пуансона. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи. 1. Разработать методику структурного анализа, позволяющую проводить эффективные предпроектные исследования в процессе разработки гибридного металлообрабатывающего оборудования. В этой методике должна быть учтена возможность интеграции источника концентрированной энергии в стандартную станочную систему. 2. Осуществить практическое испытание комплекса оборудования, реализующего технологию ВЭН ТВЧ, с целью доказательства эф-
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 3 2023 66 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ фективности ее внедрения в производство. В процессе апробации провести оценку эффективности исследуемой технологии в соответствии с заданными критериями. Методика экспериментального исследования Исполнительные движения гибридной металлообрабатывающей системы (ГМС) и необходимое количество их настраиваемых параметров определялись посредством применения структурно-кинематического синтеза механизмов металлорежущих станков [14, 82, 84–87]. Основные положения структурного синтеза и компонетики рассматриваемых систем, приведенные в работах [14, 82, 84–96], использовались для проведения исследований предполагаемого структурного состава и компоновки ГМС, в которой интегрированы поверхностно-термическая обработка и механические операции. Материалы и методы натурных экспериментов Для натурных экспериментов был выбран пуансон листогибочного пресса (рис. 3), изготовленный из стали У10А (табл. 1). Состав исходного материала определяли на оптико-эмиссионном спектрометре ARL 3460. Для определения линейных операционных размеров, учитывая требуемую глубину термоупрочненного слоя, использовали теорию размерных цепей и методику, представленную в соответствующих работах [97, 98]. Эксперименты проводились на модернизированном многоцелевом обрабатывающем центре МС 032.06, оснащенном дополнительным источником энергии, в качестве которого использовался сверхвысокочастотный генератор тиристорного типа СВЧ-10 с рабочей частотой тока 440 кГц, реализующий высокоэнергетический нагрев токами высокой частоты. Рис. 3. Пуансон листогибочного пресса Fig. 3. Press brake plug Т а б л и ц а 1 Ta b l e 1 Химический состав исходного материала Chemical compositions of initial material Cталь / Steel Массовая доля элемента, % / Mass content of elements, [%] C Si Mn S P Cr Ni Cu У10А 1,01 0,25 0,21 0,017 0,022 0,18 0,17 0,15
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 3 2023 67 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Структурные исследования образцов проводились на оптическом микроскопе Carl Zeiss Axio Observer Z1m и на растровом электронном микроскопе Carl Zeiss EVO 50 XVP, который оснащен энергодисперсионным анализатором INCA X-ACT (Oxford Instruments). Микроструктура образцов выявлялась с использованием 5%-го спиртового раствора азотной кислоты и насыщенного раствора пикриновой кислоты в этиловом спирте с добавлением поверхностноактивных веществ [99]. Микротвердость упрочненного поверхностного слоя деталей оценивали с помощью прибора Wolpert Group 402MVD. Остаточные напряжения измеряли с использованием рентгеновского метода на дифрактометре высокого разрешения ARL X`TRA и механического разрушающего метода – послойного электролитического травления образца [100, 101]. Для выявления дефектов поверхностного слоя использовали визуальнооптический метод с применением микроскопа Carl Zeiss Axio Observer A1m, капиллярный метод и токовихревой метод с применением вихретокового дефектоскопа ВД-70. Статистическая обработка результатов экспериментальных исследований производилась в программных продуктах Statistica, Table Curve 2D и Table Curve 3D. Результаты и их обсуждение В процессе разработки интегрального металлообрабатывающего оборудования планируется внедрение метода высокоэнергетического нагрева токами высокой частоты на гибридном станке во время одного из технологических этапов. Учитывая особенности конструкции индукторов для этого процесса, поверхностный нагрев обрабатываемой поверхности осуществляется локализованными участками, размеры которых определяются шириной активного провода индуктора и длиной ферритового магнитопровода (рис. 2). Для обеспечения поверхностной закалки необходимы согласованные движения заготовки и инструмента, аналогичные тем, которые используются при фрезеровании [7, 14, 17, 47, 82, 87]. Структурно-кинематический анализ показал, что на всех этапах интегральной обработки (предварительное фрезерование, закалка токами высокой частоты и чистовое фрезерование) требуется аналогичный набор исполнительных движений и настраиваемых параметров. Последующий синтез обобщенной кинематической структуры разрабатываемой гибридной металлообрабатывающей системы выполнялся на основе пятикоординатного обрабатывающего центра МС 032.06 с CNC-системой управления, предназначенного для высокопроизводительной обработки произвольно расположенных поверхностей деталей, установленных на рабочем столе (рис. 4). При этом методе формулу компоновки можно представить в следующем виде: { } [ 0 ] [ ] h CAY XZ D d ⎡ ⎤ + ⎣ ⎦ , где A и С – поворотные оси стола; Y – вертикальное перемещение стола с заготовкой; X и Z – линейные перемещения инструмента; h D – вращение шпинделя с режущим инструментом; d – установочное вращательное движение индуктора. Блок Dh, выполняющий главное движение резания при фрезеровании, дополнительно помечен знаком ∧. После проведения всестороннего анализа требуемой структурной формулы компоновки гибридного оборудования, кинематической структуры станка МС 032.06 и жесткости его базовых узлов были выявлены основные направления модернизации указанной модели металлообрабатывающего оборудования. Проведенный комплекс предпроектных исследований позволил подготовить рабочую документацию для реализации гибридного технологического оборудования, объединяющего механическую и поверхностно-термическую обработку (рис. 5). В результате расчетов технических характеристик гибридного металлообрабатывающего оборудования было зафиксировано, что для обеспечения сравнимого с механическими операциями уровня производительности формообразования необходимо осуществлять обработку ВЭН ТВЧ на скоростях порядка VS ∈ [50, 100] мм/с. Проведение натурных экспериментов позволило определить диапазон удельных мощностей источника qS (h, VS), с которыми требуется производить обработку ВЭН ТВЧ: qS ∈ [1,5; 4,0] 10 8 Вт/м2. Для подтверждения эффективности внедрения разработанного гибридного оборудования рассмотрим конкретный пример: финишную стадию технологического процесса обработки
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 3 2023 68 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Рис. 4. Структурная схема гибридного металлообрабатывающего станка Fig. 4. Block schematic diagram of the hybrid metalworking machine а б Рис. 5. Гибридный металлообрабатывающий станок: а – общий вид станка; б – принципиальная компоновка интегрального станочного комплекса: 1 – станина; 2 – крестовый суппорт; 3 – шпиндельный узел; 4 – вертикальные салазки; 5 – поворотный стол; 6 – магазин для инструментов; 7 – сверхвысокочастотный генератор тиристорного типа СВЧ-10 Fig. 5. Hybrid metal-working machine: a – general view of the machine; б – basic layout of the integral machine tool complex: 1 – machine bed; 2 – dual slides; 3 – spindle assembly; 4 – vertical slide; 5 – turntable; 6 – tool magazine; 7 – microwave thyristor-type generator SHF-10 пуансона (см. рис. 3). В нашем примере приведены две различные схемы обработки: с использованием стандартной заводской технологии и с применением предлагаемой интегрированной обработки. Анализ представленных данных позволит подтвердить эффективность внедрения разработанного гибридного металлообрабатывающего оборудования и продемонстрировать преимущества, которые оно может принести по сравнению с традиционными методами обработки.
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1