Том 27 № 1 2025 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, ИФТПС СО РАН, г. Якутск, 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 в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор). 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 27 № 1 2025 2 СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОЛОГИЯ Умеров Э.Д., Скакун В.В., Джемалядинов Р.М., Егоров Ю.А. Исследование влияния масляных СОТС с улучшенными трибологическими свойствами на силы резания и шероховатость обработанных поверхностей...... 6 Маниканта Д.Э., Амбхор Н., Теллапутта Г.Р. Исследование СОЖ с использованием растительного масла, усиленного добавлением наночастиц, при токарной обработке..................................................................................... 20 Шлыков Е.С., Абляз Т.Р., Блохин В.Б., Муратов К.Р. Повышение качества изготовления изделий из жаропрочного никелевого сплава нового поколения с применением проволочно-вырезной электроэрозионной обработки............................................................................................................................................................................ 34 Абляз Т.Р., Осинников И.В., Шлыков Е.С., Каменских А.А., Горохов А.Ю., Кропанев Н.А., Муратов К.Р. Прогнозирование изменений поверхностного слоя в процессе копировально-прошивной электроэрозионной обработки............................................................................................................................................................................. 48 Мартюшев Н.В., Козлов В.Н., Болтрушевич А.Е., Кузнецова Ю.С., Бовкун А.С. Фрезерование заготовок из инконеля 625, полученных с помощью электродуговой наплавки............................................................................ 61 Фатюхин Д.С., Нигметзянов Р.И., Приходько В.М., Сундуков С.К., Сухов А.В. Влияние угла наклона колебательной системы на поверхностные свойства стали 45 при ультразвуковом поверхностном пластическом деформировании......................................................................................................................................... 77 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Борисов М.А., Лобанов Д.В., Скиба В.Ю., Надеждина О.А. Разработка устройства для исследования и моделирования процесса электрохимического шлифования............................................................................................. 93 Лапшин В.П., Губанова А.А., Дудинов И.О. Прогнозирование качества получаемой при резании металлов поверхности в условиях роста изношенности инструмента........................................................................................... 106 Подгорный Ю.И., Скиба В.Ю., Мартынова Т.Г., Садыкин А.В., Мартюшев Н.В., Лобанов Д.В., Пелемешко А.К., Попков А.С. Проектирование механизма гомогенизации.............................................................. 129 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Усанова О.Ю., Рязанцева А.В., Вахрушева М.Ю., Модина М.А., Кузнецова Ю.С. Повышение эксплуатационных свойств деталей из серого чугуна с помощью ионной имплантации....................................................... 143 Абдельазиз Х., Сабер Д. Получение нанокомпозиционного материала с матрицей на основе алюминиевого сплава Al-7Si методом механического замешивания в стальную литейную форму с переменной толщиной стенок и исследование его характеристик..................................................................................................................................... 155 Дама Й.Б., Джоги Б.Ф., Паваде Р., Пал Ш., Гаиквад Й.M. Разработка и исследование композиционных материалов из акрилата с ПЭЭК для изготовления имплантатов тазобедренного сустава методом аддитивного производства (DLP 3D-печать).......................................................................................................................................................... 172 Прудников А.Н., Галачиева С.В., Абсадыков Б.Н., Шарипзянова Г.Х., Цыганко Е.Н., Иванцивский В.В. Влияние деформационной термоциклической обработки и нормализации на механические свойства листовой стали 10................................................................................................................................................................................ 192 Бханавасе В., Джоги Б.Ф., Дама Й.Б. Исследование поведения в условиях изнашивания полифениленсульфидных (PPS) композиционных материалов, армированных стекловолокном и органической глиной.................... 203 МАТЕРИАЛЫ РЕДАКЦИИ 218 МАТЕРИАЛЫ СОУЧЕРЕДИТЕЛЕЙ 227 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 05.03.2025. Выход в свет 17.03.2025. Формат 60×84 1/8. Бумага офсетная. Усл. печ.л. 28,5. Уч.-изд. л. 53,01. Изд. № 25. Заказ 86. Тираж 300 экз. Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Vol. 27 No. 1 2025 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. 27 No. 1 2025 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, V.P. Larionov Institute of the Physical-Technical Problems of the North of the Siberian Branch of the RAS, Yakutsk; Alexander S. Yanyushkin, D.Sc. (Engineering), Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary
Vol. 27 No. 1 2025 5 CONTENTS OBRABOTKAMETALLOV TECHNOLOGY Umerov E.D., Skakun V.V., Dzhemalyadinov R.M., Egorov Y.A. Investigation of the eff ect of oil-based MWFs with enhanced tribological properties on cutting forces and roughness of the processed surfaces.............................................. 6 Manikanta J.E., Ambhore N., Thellaputta G.R. Investigation of vegetable oil-based cutting fl uids enhanced with nanoparticle additions in turning operations........................................................................................................................ 20 Shlykov E.S., Ablyaz T.R., Blokhin V.B., Muratov K.R. Improvement the manufacturing quality of new generation heat-resistant nickel alloy products using wire electrical discharge machining................................................................... 34 Ablyaz T.R., Osinnikov I.V., Shlykov E.S., Kamenskikh A.A., Gorohov A.Yu., Kropanev N.A., Muratov K.R. Prediction of changes in the surface layer during copy-piercing electrical discharge machining....................................... 48 Martyushev N.V., Kozlov V.N., Boltrushevich A.E., Kuznetsova Yu.S., Bovkun A.S. Milling of Inconel 625 blanks fabricated by wire arc additive manufacturing (WAAM)..................................................................................................... 61 Fatyukhin D.S., Nigmetzyanov R.I., Prikhodko V.M., Sundukov S.K., Sukhov A.V. Infl uence of the oscillating systems inclination angle on the surface properties of steel 45 during ultrasonic surface plastic deformation................... 77 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Borisov M.A., Lobanov D.V., Skeeba V.Y., Nadezhdina O.A. Development of a device for studying and simulating the electrochemical grinding process................................................................................................................................... 93 Lapshin V.P., Gubanova A.A., Dudinov I.O. Predicting machined surface quality under conditions of increasing tool wear............................................................................................................................................................................... 106 Podgornyj Y.I., Skeeba V.Y., Martynova T.G., Sadykin A.V., Martyushev N.V., Lobanov D.V., Pelemeshko A.K., Popkov A.S. Designing the homogenization mechanism.................................................................................................... 129 MATERIAL SCIENCE Usanova O.Yu., Ryazantseva A.V., Vakhrusheva M.Yu., Modina M.A., Kuznetsova Yu.S. Improving the performance characteristics of grey cast iron parts via ion implantation.......................................................................... 143 Abdelaziz K., Saber D. Fabrication and characterization of Al-7Si alloy matrix nanocomposite by stir casting technique using multi-wall thickness steel mold................................................................................................................ 155 Dama Y.B., Jogi B.F., Pawade R., Pal S., Gaikwad Y.M. DLP 3D printing and characterization of PEEK-acrylate composite biomaterials for hip-joint implants....................................................................................................................... 172 Prudnikov A.N., Galachieva S.V., Absadykov B.N., Sharipzyanova G.Kh., Tsyganko E.N., Ivancivsky V.V. Eff ect of deformation thermocyclic treatment and normalizing on the mechanical properties of sheet Steel 10.......................... 192 Bhanavase V., Jogi B.F., Dama Y.B. Wear behavior study of glass fi ber and organic clay reinforced poly-phenylenesulfi de (PPS) composites material........................................................................................................................................ 203 EDITORIALMATERIALS 218 FOUNDERS MATERIALS 227 CONTENTS
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 27 № 1 2025 129 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Проектирование механизма гомогенизации Юрий Подгорный 1, 2, а, *, Вадим Скиба 1, b, Татьяна Мартынова 1, c, Артур Садыкин 1, d, Никита Мартюшев 3, e, Дмитрий Лобанов 4, f, Арина Пелемешко 1, g, Андрей Попков 1, h 1 Новосибирский государственный технический университет, пр. К. Маркса, 20, г. Новосибирск, 630073, Россия 2 Новосибирский технологический институт (филиал) Российского государственного университета им. А.Н. Косыгина (Технологии. Дизайн. Искусство), Красный пр., 35 (ул. Потанинская, 5), г. Новосибирск, 630099, Россия 3 Национальный исследовательский Томский политехнический университет, пр. Ленина, 30, г. Томск, 634050, Россия 4 Чувашский государственный университет им. И.Н. Ульянова, Московский пр-т, 15, г. Чебоксары, Чувашская Республика, 428015, Россия a https://orcid.org/0000-0002-1664-5351, pjui@mail.ru; b https://orcid.org/0000-0002-8242-2295, skeeba_vadim@mail.ru; c https://orcid.org/0000-0002-5811-5519, martynova@corp.nstu.ru; d https://orcid.org/0009-0002-2061-650X, artur060779@gmail.com; e https://orcid.org/0000-0003-0620-9561, martjushev@tpu.ru; f https://orcid.org/0000-0002-4273-5107, lobanovdv@list.ru; g https://orcid.org/0009-0004-5916-6782, pyatkova.arina@gmail.com; h https://orcid.org/0009-0006-5587-9990, andrej.popkov.2013@mail.ru Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2025 Том 27 № 1 с. 129–142 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2025-27.1-129-142 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 621.8, 519.6:539.3 История статьи: Поступила: 14 декабря 2024 Рецензирование: 09 января 2025 Принята к печати: 31 января 2025 Доступно онлайн: 15 марта 2025 Ключевые слова: Гомогенизация Цикловая диаграмма работы Кинематическая схема Кулачковый механизм Толкатель Ролик Скорость Ускорение Перемещение Профиль кулачка Финансирование Работа выполнена при финансовой поддержке в рамках Тематического плана НИР НГТУ по проекту ТП-ПТМ-1_25. Благодарности Исследования выполнены на оборудовании ИЦ «Проектирование и производство высокотехнологичного оборудования». АННОТАЦИЯ Введение. Производство пищевого оборудования преследует основную цель: создание технологического оборудования высокой эффективности, позволяющего повысить производительность труда при одновременном снижении энергетических затрат. Совершенствование существующего и создание нового высокопроизводительного оборудования для пищевого производства является одной из основных тенденцией развития современного машиностроения. Под гомогенизацией (буквально слово «гомогенизация» означает «повышение однородности») понимают процесс обработки эмульсий, который приводит к дроблению дисперсной фазы. Гомогенизация – это процесс измельчения жидких или пюреобразных пищевых продуктов за счет пропускания их с высокой скоростью и давлением через узкие кольцевые щели. Авторы предлагают для гомогенизации применить механизмы кулачкового типа. Они позволят более рационально распределить время на всасывание и нагнетание продукта. Возможность понижения скорости при нагнетании продукта будет положительно сказываться на процессе гомогенизации. Цель работы: снижение потребляемой мощности при гомогенизации. Методика исследований основывается на методах ТММ. Они позволили разработать методику синтеза механизма привода гомогенизатора и спроектировать машину, обеспечивающую ее работу в соответствии с предложенной цикловой диаграммой. Результаты и обсуждения. Синтез механизмов осуществлялся с учетом полезной нагрузки, которая была определена для существующих отечественных машин при получении плавленого сыра. Так, при заданной производительности 550 л/ч и диаметре плунжера, равном 28 мм, технологическое усилие составило F = 12 315 Н. В соответствии с предложениями авторов было проведено изменение конструкции гомогенизатора за счет внедрения кулачковых механизмов. При проектировании этого привода была предложена новая цикловая диаграмма, позволившая увеличить время на нагнетание продукта и уменьшить время на всасывание. Так, на нагнетание продукта предложено 280°, а на всасывание – 80° по цикловой диаграмме. При этом мощность на приводном валу получили равной Р = 2,5 кВт вместо 3,5 кВт для существующей конструкции, имеющей привод от кривошипно-шатунного механизма. В результате потребляемая мощность уменьшилась на 26 %. Для цитирования: Проектирование механизма гомогенизации / Ю.И. Подгорный, В.Ю. Скиба, Т.Г. Мартынова, А.В. Садыкин, Н.В. Мартюшев, Д.В. Лобанов, А.К. Пелемешко, А.С. Попков // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2025. – Т. 27, № 1. – С. 129–142. – DOI: 10.17212/1994-6309-2025-27.1-129-142. ______ * Corresponding author Подгорный Юрий Ильич, д.т.н., профессор Новосибирский государственный технический университет, пр. К. Маркса, 20, 630073, г. Новосибирск, Россия Тел.: +7 383 346-17-79, e-mail: pjui@mail.ru Введение Производство пищевого оборудования преследует основную цель: создание технологического оборудования высокой эффективности, позволяющего повысить производительность труда при одновременном снижении энергети-
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 27 № 1 2025 130 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ ческих затрат. На отечественных предприятиях пищевой промышленности насчитывается множество наименований технологического оборудования, в том числе и машины для гомогенизации [1–9]. Современные технологические машины обладают рядом особенностей, среди которых особое место занимают техническое состояние оборудования, его производительность и качество выпускаемой продукции [10–19]. Совершенствование существующего и создание нового высокопроизводительного оборудования для пищевого производства является одной из основных тенденцией развития современного машиностроения. Растущие динамические нагрузки при увеличении рабочих скоростей предъявляют повышенные требования к проектированию отдельных элементов и узлов, в том числе и приводов, обеспечивающих прерывистые движения рабочим органам машины [7, 12–14, 16–22]. Одно из важных требований к этим машинам заключается в том, что их ведомые рабочие звенья должны совершать движения, точно отвечающие определенному закону. Поэтому в механизмах пищевых машин предлагается применить механизмы кулачкового типа. Они позволят распределить время на всасывание и нагнетание продукта. Законы движения кулачковых механизмов можно синтезировать в большом многообразии, и благодаря этому легко приспособить к кинематическим и динамическим требованиям разработчика. Технология получения профиля отработана, и он дает возможность весьма точно осуществить требуемое движение ведомому звену [23–35]. Возможность понижения скорости при нагнетании будет положительно сказываться на процессе гомогенизации [36, 37]. Под гомогенизацией (буквально слово «гомогенизация» обозначает «повышение однородности») понимают процесс обработки эмульсий, который приводит к дроблению дисперсной фазы. Гомогенизация – это процесс измельчения жидких или пюреобразных пищевых продуктов за счет пропускания их с высокой скоростью и давлением через узкие кольцевые щели. Наибольшее распространение процесс гомогенизации получил в пищевой промышленности, а именно в молочной. Рассмотрим кратко технологический процесс получения плавленого сыра. Плавленый сыр – это пищевой продукт, представляющий собой массу, которая подвергнута процессу плавления и однородного распределения компонентов. Он производится из особых смесей с четкой, конкретной рецептурой, в которой содержится информация об ингредиентах: составные части молока, сливок, масла, сыров, солей-плавителей, стабилизаторов, а также ароматизаторов и вкусовых добавок. Технология изготовления плавленого сыра включает в себя несколько этапов. Сначала сыр или творог измельчается и перемешивается. Затем смесь подвергается плавлению и эмульгированию. Для этого могут использоваться специальные добавки, такие как эмульгирующие соли или структурообразователи, которые помогают достичь консистенции и текстуры продукта. Проведенный анализ показал, что в конструкциях гомогенизаторов наиболее широко используется кривошипно-шатунные механизмы. Научные исследования [1–7, 12, 13, 36] показывают, что в любом случае ламинарный поток дает троекратное увеличение степени диспергирования жировых шариков по сравнению с турбулентным. Получение сыра производится на специальных машинах, которые называются гомогенизирующими. Индикаторную диаграмму их работы можно подробно просмотреть [36]. Составляющие элементы диаграммы включают моменты всасывания продукта и нагнетания его через щель. Всасывание продукта происходит при давлении ниже атмосферного, а нагнетание – через щель при давлении от 20 МПа и выше. При этом работа кривошипно-шатунного механизма распадается на несколько участков. Первый участок – всасывание, он занимает половину пройденного пути кривошипом. Второй участок, который обеспечивает нагнетание, занимает вторую половину пути. Недостатком таких конструкций является большое потребление мощности. Поэтому мы считаем, что замена кривошипно-шатунного механизма на кулачковый является задачей перспективной, актуальной и своевременной. Цель работы: снижение потребляемой мощности при гомогенизации продукта. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи: – определена технологическая нагрузка при гомогенизации;
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 27 No. 1 2025 131 EQUIPMENT. INSTRUMENTS – проанализирована возможность замены кривошипно-шатунного механизма привода кулачковым механизмом; – выбраны необходимые параметры для синтеза кулачковой пары и проведен синтез; – предложена новая цикловая диаграмма работы устройства; – определен крутящий момент от сил сопротивления как на каждом кулачковом валу, так и суммарный момент; – определена мощность, необходимая при гомогенизации с новым приводом. Методика исследований Для проведения исследований необходимо прежде всего определиться с технологической нагрузкой, действующей при гомогенизации в процессе получения плавленого сыра. В соответствии с [37] в момент нагнетания жидкости рабочее давление в полости цилиндра составляет 20 Па [37]. Диаметр плунжера при производительности 550 л/час составляет d = 28 мм, частота вращения главного вала n = 180 мин–1. Соответственно необходимое усилие, с которым плунжер давит на жидкость в проходном сечении гомогенизирующей головки, получили равным F = 12 315 H. Кинетостатический расчет этого механизма показал, что необходимая потребляемая мощность для данного случая составляет 3,8 кВт. Теперь более подробно исследуем предлагаемую авторами конструкцию гомогенизатора с кулачковым приводом. На рис. 1 показаны расположения приводных кулачков и толкатели, обеспечивающие привод к плунжерам. Функционально все остальные элементы работают так же, как и для приводов с кривошипно-шатунными механизмами. Подробно с работой конструкции гомогенизатора можно ознакомиться в [37]. В механике известно множество законов движения для кулачковых механизмов. Для выбора рационального закона движения мы предлагаем рассмотреть из них три: простой гармонический, двойной гармонический и циклоидальный законы [7, 12, 13–27, 31–35, 38–41]. Расчетная схема для кулачкового механизма приведена на рис. 2. В качестве переменных параметров были приняты профильные углы β; фазовые углы движения для подъема и опускания – ϕ1, ϕ2, ϕ3 и ϕ4; максимальные перемещения толкателя – Smax; ϕ – текущее значение угла поворота кулачка. В связи с тем, что все расчеты проводились с использованием математического пакета, для удобства расчетов были введены следующие обозначения: перемещения – s(ϕ); скорости – v1(ϕ); ускорения – a1(ϕ); крутящие моменты на рабочем валу – М1(ϕ), М2(ϕ) и М3(ϕ) соответственно для трех кулачков, задействованных в конструкции; 1 max , 2 S k = 3 max 2 3 6 k S = − ϕ – коэффициенты для гармоничеРис. 1. Предлагаемая конструкция гомогенизатора с приводами от кулачков Fig. 1. The proposed design of a cam-driven homogenizer Рис. 2. Кулачковый механизм гомогенизатора Fig. 2. Cam mechanism of the homogenizer
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 27 № 1 2025 132 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ ского закона движения; F1, F2 – полезная нагрузка для моментов нагнетания и всасывания продукта соответственно, значения F1 = 12 315 Н и F2 = 2500 Н были приняты для случая получения плавленого сыра. В результате проведенного исследования было установлено, что наиболее рациональным оказался простой гармонический закон, максимальные значения скоростей для него оказались меньше на 25 и 30 %, чем у двойного гармонического и циклоидального законов соответственно. Аналитическое выражение для этого закона будет иметь следующий вид: ⎛ ϕ ⎞ ϕ = − π ⎜ β ⎟ ⎝ ⎠ max ( ) 1 cos . 2 S s (1) Кинематические характеристики для него были рассчитаны в математическом пакете Mathcad, листинг представлен на рис. 3. Рис. 3. Листинг программы для определения кинематических характеристик Fig. 3. Listing of a program for determining kinematic characteristics Перемещения были представлены как интегральная функция от скоростей (3): s(ϕ):= 0 ( ) v d φ ϕ ⋅ ϕ ∫ . (4) Момент, действующий на первый кулачок, предлагается определять согласно программе, разработанной для математического пакета и представленной листингом на рис. 4. Рис. 4. Листинг программы для определения момента на валу кулачка Fig. 4. Listing of the program for determining the torque on the cam shaft
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 27 No. 1 2025 133 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Крутящие моменты для второго и третьего кулачка можно представить как 2 1 2 3 1 3 ( ) ( ), ( ) ( ), Ì M Ì M ϕ = ϕ+ψ ϕ = ϕ+ψ (6) где М2, М3 – крутящие моменты для второго и третьего кулачка; ψ1, ψ2 – фазовые углы смещения для кулачков на приводном валу. Моменты на приводном валу (кулачковом) определялись в зависимости от величины фазовых смещений углов ψi и профильных углов βi. Суммарный момент Мс на приводном валу был определен как сумма составляющих моментов Мi, которых в нашем случае три. Тогда c 3 1 . i i M M = = ∑ (7) Потребляемую мощность, приведенную к приводному валу, можно представить следующим образом [34]: cmax , Ì = ω P (8) где Мc max – максимальное значение суммарного крутящего момента. Профильные углы β определялись ступенчато, с использованием программ, приведенных на рис. 3 и 5. В результате, определив минимальное значение скорости из семейства кривых, мы Рис. 5. Листинг программы для определения углов давления δ Fig. 5. Listing of a program for determining pressure angles δ
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 27 № 1 2025 134 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ остановились на простом гармоническом законе с профильными углами β1 = 280° и β2 = 80° и приступили к проектированию кулачкового механизма по заданным параметрам [12]. Далее углы давления были определены по формуле ( ) 1 ( ) tan . ( ) v e a sh s ⎛ ⎞ ϕ + δ ϕ = ⎜ ⎟ + ϕ ⎝ ⎠ (9) Для этого необходимо было определиться с минимальным радиус-вектором кулачка Rmin. Используя вычисленные функции положения s(ϕ) и аналоги скоростей v(ϕ) (рис. 6) на фазах подъема и опускания, построили график в координатах v(s) с той лишь разницей, что для его определения используются численные значения скоростей. Такая схема приведена на рис. 7, векторы скоростей обозначены точками от A0 до A8. Фаза подъема представлена точками от A0 до А4, а фаза опускания – от A5 до А8. Значения минимального радиус-вектора кулачка составило Rmin = 90 мм. Следующим этапом для определения конструктивных параметров механизма является определение радиуса ролика. Алгоритм определения сводится к расчету радиусов кривизны профиля кулачка в зависимости от его угла поворота. Значения радиусов кривизны ρкр можно представить по общей формуле для кулачка любого типа [23]: 2 3/2 2 2 2 2 2 , 2 êð d d d d d d ⎡ ⎤ ⎛ ρ ⎞ ⎢ ⎥ ρ +⎜ β ⎟ ⎢ ⎥ ⎝ ⎠ ⎣ ⎦ ρ = ⎛ ρ ⎞ ρ ρ + − ρ ⎜ β ⎟ β ⎝ ⎠ (10) Рис. 6. График аналогов скоростей центра ролика кулачкового механизма Fig. 6. Graph of analog speeds of the cam mechanism’s roller center где ρ – радиус-вектор теоретического профиля, β – профильный угол. В написании программы для определения минимального радиуса кривизны необходимо учесть интерполяцию значений радиус-векторов для перемещений центра ролика кулачкового механизма [12]. Листинг программы для определения кривизны поверхности кулачка приведен на рис. 8. Результаты и их обсуждение Анализируя полученные значения потребляемых мощностей, пришли к заключению, что для кривошипно-шатунного механизма она составляет 3,8 кВт. При простом гармоническом законе – 3,8 кВт, при циклоидальном и двойном гармоническом – 4,5 и 4,3 кВт соответственно. Эти значения были рассчитаны при равных профильных углах β = 180°. Предложение авторов заключается в том, что новая цикловая диаграмма работы кулачкового привода должна обеспечить значительное снижение момента для ведомого звена и, как следствие, привести к поРис. 7. Схема определения минимального радиус-вектора для механизма с толкателем Fig. 7. Diagram of determining the minimum radius vector for a mechanism with a pusher
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1