№ 8 (146) (2023)
Технологии механической обработки заготовок
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА СВЕРЛЕНИЯ СЛОЖНЫХ ПАКЕТОВ ТИТАНОВОГО СПЛАВА И КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЦИФРОВЫХ ДВОЙНИКОВ
Аннотация
Сложные пакеты из поликристаллических композитных материалов на основе углепластиков и титановых сплавов находят все более широкое распространение в конструкциях изделий машиностроения и становятся основным ма-териалом при производстве современных видов скоростного транспорта. Однако технология механической обра-ботки поверхностей деталей из этих материалов, в частности отверстий, отличается недостаточной изученно-стью, отсутствием нормативов режимов резания и основывается чаще всего на производственном опыте предпри-ятий. При изменении условий обработки и материалов сложных пакетов длительность технологической подготовки производства становится причиной существенного увеличения себестоимости изготовления узлов и деталей вслед-ствие необходимости опытного подбора рациональных элементов режима резания. Для исключения эмпирического подбора рациональных элементов режима резания на станочном оборудовании была рассмотрена возможность ис-пользования цифровых двойников процессов сверления отверстий в заготовках из данных материалов, в том числе, с введением в зону формообразования новых поверхностей энергии ультразвукового поля с целью повышения качества обработанных поверхностей, производительности обработки и сокращения технологической подготовки производ-ства на этапе подбора элементов режима резания взамен апробации выбранных условий обработки на действую-щем технологическом оборудовании. При моделировании использовалась программа LS-DYNA. Подготовка моделей и обработка результатов выполнялась в программе LS-Prepost 4.8. В процессе исследований применяли явный метод моделирования с предварительной валидацией. Исследованиями установлено, что разработанные конечно-элементные модели позволяют имитировать технологические процессы одновременного сверления пакетов титано-вого сплава и композиционного материала в компьютере (цифровой двойник) без проведения достаточно сложных и затратных натурных испытаний. В результате моделирования был получен расчетный файл, содержащий процесс симуляции, решение которого визуально отражает процесс сверления отверстий в заготовках из сложных паке-тов титанового сплава и композиционного материала, максимально приближенный к реальной ситуации со снятием стружки. Так как использование цифровых двойников для выполнения данного этапа технологической подготовки производства в условиях действующих предприятий не связано с длительной и дорогостоящей эксплуатацией ста-ночного парка, следует ожидать существенного снижения себестоимости изготовления узлов и деталей из подоб-ных материалов в промышленности, прежде всего в мелкосерийном и единичном производстве.
3-11
ПРОЕКТИРОВАНИЕ МЕХАТРОННЫХ СИСТЕМ ГИБРИДНЫХ СТАНОЧНЫХ КОМПЛЕКСОВ
Аннотация
Рассмотрены мировые тенденции за последние полвека и перспективы развития на ближайшие десятилетия ком-плексов технологического оборудования. Проведен всесторонний анализ применяемых стадий и этапов проектиро-вания обрабатывающего оборудования с помощью построения традиционных для механики машин расчетных схем. Показано, что перспективы применения потоков энергии для интенсификации процессов обработки, должны анали-зироваться на ранних стадиях проектирования, с использованием теплофизических и электрофизических критериев для изучения формирующихся связей в системе. Предложено приступать к проектированию мехатронных систем станочных комплексов, с анализа структурных связей информационных технологий в гибридном производстве, вклю-чающем традиционные и аддитивные технологии. Рекомендовано использовать последовательности критериев пе-реноса для анализа процессов образования структур материала и поверхностного слоя при термомеханической и электрофизической обработке. Критерии тепломассопереноса устанавливают последовательность структурооб-разования в обрабатываемом материале при увеличении мощности воздействий. Критерии, характеризующие по-токи энергии, при электрофизической обработке оказывают влияние на последовательность поверхностных явлений и определяют процесс формирования свойств материала. Показана организация обратных связей при управлении технологическим оборудованием через степени свободы инструментов, частиц наносимого материала и удаляемого слоя, посредством дополнительных воздействий потоками энергии. С учетом контуров прямых и обратных связей в технологической системе, следует выбирать системы числового программного управления и проектировать ком-плекс станочного оборудования как мехатронную систему. Комплекс гибридного технологического оборудования с позиций компьютеризации производственной деятельности, а также его модули, следует проектировать как устройства компьютерной периферии, построенные по той же архитектуре, что и ЭВМ
12-19
Технологии электро-физико-химической и комбинированной обработки
АВТОМАТИЗАЦИЯ И ЦИФРОВИЗАЦИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Аннотация
На основании проведенного анализа литературных источников выявлено, что цифровое производство включает в себя не только полную автоматизацию производственных процессов, но и создание многоуровневой инфраструктуры управления ими на основе информационных технологий. Основанные на таком подходе технические решения, позво-лят значительно интенсифицировать производственные процессы. Рассмотрены возможности автоматизации и цифровизации ультразвуковых технологических процессов путём создания аппаратно-программного комплекса, включающего в себя технологическое и измерительное оборудование, а также программное обеспечение для выбора наиболее эффективных технических решений. Обоснованы общие принципы создания ультразвуковых технологий, этапы разработки которых включают в себя постановку задачи, анализ объекта обработки, выбор схемы обработ-ки и оборудования, контроль процесса и оценку качества. Предложены методологические подходы к реализации производственных процессов с многоуровневой инфраструктурой управления ими на основе информационных техно-логий. Приведены примеры разработанных программных продуктов, с помощью которых методами поисковой оп-тимизации производится выбор оборудования и рациональных режимов обработки. Показаны не только возмож-ность использования автоматизированной технологии, но и создания на её основе самообучающейся технологической системы. Разработка и создание оборудования для реализации предлагаемых технических решений основывается на общих принципах использования числового программного управления. Предлагаемый алгоритм может применяться для широкого спектра ультразвуковых технологий: очистки, поверхностного пластического деформирования, нане-сения покрытий, резания и др. Кроме того, совокупность выбора технических и информационных решений, дает воз-можность оперативного перехода от одних видов обработки к другим. Даны рекомендации по реализации предлага-емых технических и информационных решений.
20-26
КОМБИНИРОВАННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ И РЕСУРСА ИЗДЕЛИЙ АВИАКОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ
Аннотация
В работе рассмотрена крупная научная и прикладная проблема повышения качества, и надежности наукоемких изде-лий технологическими методами и средствами, что составляет основу для производства конкурентоспособной про-дукции отечественного машиностроения в первую очередь в авиакосмической отрасли. Проведен анализ причин появ-ления дефектов техники и снижения ее надежности по стадиям жизненного цикла изделий. Были определены меро-приятия, обеспечивающие заданную надежность при сохранении или повышении ресурса с минимизацией затрат на стадии запуска изделий в серийное производство путем поэтапного повышения эксплуатационных характеристик в процессе испытаний продукции. Показано, что комбинированные методы обработки деталей позволяют создавать малогабаритные многослойные вибростойкие фильтры с увеличенной площадью рабочей зоны и суммарной толщи-ной стенки, обеспечивающей устойчивость изделия к многократным колебаниям, что ранее приводило к необходимо-сти нежелательного увеличения габаритов и массы производимого изделия. Раскрыты возможности использования комбинированных методов обработки с наложением электромагнитных полей для улучшения эксплуатационных ха-рактеристик модернизированных и создаваемых деталей летательных аппаратов, в том числе их элементов, при освоении серийного производства наукоемких изделий, особенно разрабатываемых для их импортозамещения. Изуче-но изменение механических характеристик материалов при различных методах обработки. Испытания образцов на предел прочности и удлинение показали, что последовательное использование высокоэффективной электрохимиче-ской размерной обработки с последующим виброударным (или иным) упрочнением позволяет повысить характери-стики изделий до 10 % и достичь результата, не ниже полученного после механической обработки с упрочнением.
27-34
Технологическое обеспечение эксплуатационных свойств деталей машин и их соединений
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС АВИАЦИОННЫХ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С УЧЕТОМ НЕСТАБИЛЬНОСТИ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ИХ МАТЕРИАЛОВ
Аннотация
Ключевое место при производстве газотурбинных двигателей, в том числе и зубчатых колес, как авиационного, так и судового, и энергетического назначения, отводится конструкционным сталям. В связи с этим важна не только физи-ческая природа изготовления зубчатых колес, но прежде всего формализация и управление обеспечением физико-механических свойств материалов с учетом их стабильности. Рассмотрена проблема технологического обеспечения изготовления зубчатых колес газотурбинных двигателей, где конструкция, материал детали и технология изготов-ления анализируются неотъемлемо друг от друга. Разработана взаимосвязь качества рабочих поверхностей с техно-логическими и прочностными характеристиками относительно эксплуатационных свойств. Исследована нестабиль-ность механических свойств конструкционного материала и обосновано их формирование на основе технологической наследственности при соответствии технологического процесса изготовления детали ее материалу и назначению. Наглядно представлена нестабильность физико-механических свойств на примере одной марки стали, но при различ-ных методах получения заготовки и материала в состоянии поставки. Изучено влияние термической обработки на стабилизацию физико-механических свойств материала с учетом наследования свойств. Разработана модель кон-тактного взаимодействия зубчатых колес с учетом внешних и внутренних воздействий, как в процессе изготовления, так и при эксплуатации (свойства материала, силы в зацеплении, температурное поле и т. д.). Кумулятивная модель, ориентированная на реакцию конструкционного материала при обработке и взаимодействия в работе, обобщает функциональное назначение, физико-механические свойства и особенности поведения в условиях эксплуатации. Пред-ставлено управление эксплуатационными свойствами зубчатых колес в неразделимой связи с технологией и их мате-риалами – структурным состоянием и физико-механическими свойствами.
35-42
СПЕЦИАЛИЗАЦИЯ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Аннотация
Рассмотрены виды специализации – предметная, технологическая, их уровни и области их эффективного примене-ния. Поскольку любое специализированное производство создается под выпуск изделий, то первичной является пред-метная специализация, например, производство автомобилей, а вторичной является технологическая специализация, которая показывает каким технологическим методом изготавливается предмет производства, например, литейное производство. Уровню предметной специализации должен соответствовать уровень технологической специализа-ции. Показано, что в основе типов производства (единичное, серийное, массовое) лежат соответствующие уровни предметной и технологической специализаций, чем ниже уровень предметной специализации, тем ниже уровень тех-нологической специализации. Например, низкому уровню предметной специализации соответствует мелкосерийное производство. Повышение уровня предметной специализации приводит к повышению уровня технологической специ-ализации – организации серийного производства и т.д. Предметно специализированные производства можно разде-лить на две группы: к первой группе относятся производство изделий, удовлетворяющих потребности человека, например, автомобили и средства их технологического обеспечения, например, станки. Ко второй группе - специали-зированные производства их элементов (узлов, деталей), например, насосы, двигатели, винты, гайки и т.п. Проблема организации специализированных производств изделий второй группы заключается в отсутствие полноценной ин-формации об их конструктивном разнообразии и частоты применения. Для решения проблемы предлагается рас-сматривать изделия второй группы в модульном представлении, что позволяет все их разнообразие разделить на две группы: модули функциональные технологические (МФТ), обеспечивающие выполнение изделием его служебного назначения и модули функциональные обслуживающие (МФО), обеспечивающие функционирование МФТ. На этом ос-новании предлагается системный подход в организации специализированных производств изделий второй группы. Показано, что для реализации предлагаемого системного подхода в организации специализированных производств изделий второй группы необходимо создание базы данных двух видов: база данных МФТ и база данных МФО.
43-48