Развитие научных исследований на кафедре

С момента основания кафедры «Резания металлов и металлорежущие станки» большое значение уделялось научно-исследовательской работе. Основным направлением научных исследований стала автоматизированная токарно-давильная обработка оболочковых деталей. И успех не заставил долго ждать. Уже 1967 году за развитие научно-исследовательской работы в области токарно-давильной обработки коллектив кафедры отмечен дипломом Выставки достижений народного хозяйства (ВДНХ) СССР.

Все более актуальными становятся ресурсосберегающие технологии. На кафедре проводятся интенсивные исследования гибкой ресурсосберегающей технологии изготовления оболочковых деталей (ГРТ). Она основана на комплексном применении более чем 20 операций обработки листовых и полых заготовок путем пластической деформации и резанием на токарных станках с ЧПУ, предназначенных для ротационной вытяжки (РВ), раскатки, загибки кромок, обжатия, выглаживания, накатки рифлений, токарной обработки, шлифования и других операций. Основные детали, изготавливаемые методами ГРТ (рис. 1).

оболочки

Рис. 1. Оболочковые детали, изготовляемые методами ГРТ.

Автоматизированная токарно-давильная обработка реализуется на высоких частотах вращения – порядка 100-500 мин-1 и высоких удельных давлениях 2500…3000 МПа. Методами ГРТ в холодном состоянии можно изготовлять оболочковые детали из низкоуглеродистых сталей и сплавов меди толщиной от 1 до 4 мм и алюминиевых сплавов толщиной до 10 мм (рис. 2). Диаметр обрабатываемых деталей – от 20 до 1500 мм. Большинство деталей окончательно изготовляют с одной постановки благодаря концентрации операций на станке с ЧПУ.

В последние годы ГРТ приобрела особое значение в области производства тонкостенных деталей из труднообрабатываемых материалов: легированных сталей, никеля, молибдена, лития, ниобия, титана, тантала и их сплавов с нагревом заготовки в процессе вытяжки газовой горелкой или другими способами.

Правильность разработки технологии, точный расчет управляющих программ ГРТ и квалифицированная наладка станка являются гарантией стабильного качества оболочковых деталей. ГРТ дополняет и расширяет технологические возможности современных методов штамповки оболочковых деталей, поэтому она необходима многим предприятиям для повышения гибкости и экономической эффективности производства. Благодаря сочетанию различных методов формообразования оболочковых деталей путем пластической деформации и резанием становится возможным решение весьма сложных технологических задач. Особенно эффективна ГРТ в единичном и серийном производствах при частой смене выпускаемых изделий.

В 1983 году за разработку новых моделей токарно-давильных станков инженер И.В. Кочетов награжден золотой медалью ВДНХ СССР, доцент Могильный Н.И. серебряной медалью, инженер Е.Л. Фрегер и доцент В.М. Моисеев бронзовыми медалями.

Внедрение в производство ГРТ на токарных станках с ЧПУ позволяет:

  • в 15 – 20 раз сократить сроки подготовки производства по сравнению со штамповкой на прессах;
  • резко сократить затраты на оснащение и переместить основную работу по подготовке производства из инструментальных цехов в область интеллектуального труда, выполняемого с помощью ЭВМ;
  • в 3 – 8 раз снизить расход металла на оснащение за счет замены металлоемких вытяжных, вырубных и обрезных штампов простым универсальным давильным инструментом, оправками и резцами;
  • снизить расход металла путем усовершенствования конструкции сложных оболочковых деталей и замены сварных оболочек цельными;
  • сократить цикл изготовления сложных оболочковых деталей, снизить стоимость и обеспечить стабильное качество;
  • заменить тяжелую и непопулярную профессию токаря-давильщика престижной специальностью оператора станков с ЧПУ;
  • в значительной мере разгрузить дефицитное и дорогое прессовое оборудование за счет более рационального использования имеющихся токарных станков с ЧПУ;
  • в значительной мере сократить импорт дорогостоящих токарно-давильных станков с ЧПУ, стоимость которых составляет от 200 до 500 тысяч долларов.

Интеграция операций АРВ и токарной обработки дает возможность перейти от обычных методов изготовления оболочковых деталей штамповкой на прессах к высшим технологиям управляемого формообразования пластическим деформированием и резанием, основанным на рациональном применении персональных ЭВМ, автоматизированного программирования и проектирования.

Гибкая ресурсосберегающая технология изготовления оболочковых деталей все шире применяют для изготовления оболочковых деталей при производстве машин, приборов, аппаратов и предметов бытового назначения.

Кафедра разрабатывает и передает предприятиям техническую документацию на гибкую технологию изготовления оболочковых деталей на станках с ЧПУ, методы расчета управляющих программ с помощью ЭВМ, приспособления и инструмент; обучает технологов-программистов и операторов станков с ЧПУ; оказывает практическую помощь по внедрению разработок в производство.

Весь цикл работ от заключения договора до внедрения ГРТ в производство составляет 12 – 18 месяцев.

Экономический эффект от внедрения ГРТ, приспособлений и инструмента для ее реализации окупает затраты и позволяет получать существенную прибыль.

С увеличением диаметров деталей, изготовляемых методами ГРТ, экономическая эффективность резко возрастает.

Преимущества ГРТ по сравнению со штамповкой показаны на рис. 2.

По отдельным договорам с предприятиями институт может в короткие сроки изготовить из материала заказчика небольшие партии деталей, аналогичных тем, которые показаны на рис. 1.

диаграмма

Рис. 2. Диаграмма, характеризующая экономическую эффективность ГРТ

по сравнению со штамповкой

Вначале 1970-х начинаются исследования термофрикционной обработки (ТФО). Структурным подразделением кафедры становится лаборатория «Труднообрабатываемые металлы», научным руководителем которой был доцент Е.У. Зарубицкий (впоследствии доктор технических наук, профессор).

Термофрикционная обработка относится к высокопроизводительным методам обработки заготовок с предварительным нагревом для чернового резания плоских поверхностей деталей с большими неравномерно наклепанными и сильно загрязненными абразивными включениями. Особенно эффективно применение термофрикционного резания при обработке труднообрабатываемых (жаропрочных, коррозионно-стойких) сталей и сплавов.

Процесс основан на использовании теплоты работы трения, заключающийся в том, что при окружной скорости вращения диска трения 50…80 м/с (теплообразующее движение) и сравнительно умеренной подаче (движение резания) 550…750 мм/мин обеспечивается разогрев слоя обрабатываемого металла непосредственно в контактной зоне до температуры 1100…1200º С, способствуя его интенсивному пластическому течению вдоль передней поверхности диска с последующим срезанием режущей кромкой. При этом нагрев поверхностного слоя детали в зоне резания не превышает 600…700º С, а нагрев диска трения 50…60º С. Схема термофрикционного резания представлена на рис. 3, а изменение параметров в пределах одного цикла представлено на рис. 4. Образуемая крупная сплошная сливная стружка безопасна для оператора, удобна для сбора и транспортировки.

схема

Рис. 3. Схема термофрикционного резания

схема2

Рис. 4. Изменение параметров ТФО за время одного цикла

Достоинством термофрикционного резания является простота реализации с использованием универсального оборудования. Действительно для обработки поверхностей мелко- и среднегабаритных деталей используют вертикально-фрезерные станки второго и третьего типоразмеров с частично модернизированным приводом скоростей, с целью получения диском трения закрепленного в шпинделе станка по типу насадных торцовых фрез стабильно высокой частоты вращения  мин-1, обеспечивающий ему окружную скорость, необходимую для осуществления процесса. Важно и то, что процесс не требует централизованного выпуска и снабжение инструментом и оснасткой.

Эксплуатационным преимуществом является возможность заточки инструмента по мере его затупления непосредственно на станке, а такой важный технико-экономический показатель как стойкость диска, в зависимости от вида обрабатываемого материала достигает от 15 до 40 часов, что практически на порядок выше стойкости классического лезвийного инструмента.

Целый комплекс исследований ТФО показал, что обработка диском трения не оказывает существенного влияния на химический состав, структуру и твердость материала поверхности деталей, а следовательно на условия последующей чистовой обработки. Внедрение этого метода обработки позволяет повысить производительность труда в 1,2…2,5 раза.

На ВДНХ СССР неоднократно демонстрировались станки для термофрикционной обработки, созданные на кафедре. Научный руководитель этой разработки доцент Е.У. Зарубицкий награжден серебряной медалью, а сотрудники кафедры В.А. Плахотник, Н.И. Покинтелица, Т.П. Костина бронзовыми медалями.

Теоретический и практический интерес вызвали исследования электрофрикционной разрезки, проводимые доцентом Н.И. Покинтелицей, который был заведующим кафедрой, начиная с 2000 по 2009 годы. Особенность способа электрофрикционной разрезки состоит в том, что к месту контакта пилы трения с обрабатываемой заготовкой подведен электрический ток увеличенной силы и низкого напряжения, вследствие чего зона стружкообразования поддается сильному нагреву и под действием усилия подачи вращающейся пилы трения деформируется и разрушается (рис. 5). При этом достигается высокая производительность разрезки труднообрабатываемых материалов и экономия дорогостоящих инструментальных материалов. Конструктивные решения этого нового метода разрезки защищены многими патентами Украины и России.

схема3

Рис. 5. Схема электрофрикционной разрезки

 

С приходом на кафедру проф. Ю.А. Харламова начались исследования в области инженерии поверхности.

Работы в области инженерии поверхности ведутся по двум направлениям:

  1. Разработка физико-химических и технологических основ детонационно-газового напыления покрытий.

Новизна научного подхода состоит в комплексном подходе к анализу процесса получения покрытий, как сложной неоднородной системы и изучении отдельных взаимосвязанных этапов рабочего цикла детонационно-газового напыления:

  • дозирование и: подача газов; дозирование и подача порошка; газообмен и наполнение ствола свежим зарядом газов и порошка;
  • выгорание горючей смеси; формирование импульсного высокотемпературного потока продуктов сгорания;
  • динамическое и тепловое взаимодействие частиц порошка с импульсным газовым потоком;
  • формирование импульсной гетерогенной струи и физико-химические превращения в частицах напыляемого порошка;
  • истечение импульсной гетерогенной струи из ствола;
  • взаимодействие импульсной гетерогенной струи с напыляемой поверхностью детали;
  • термомеханическое взаимодействие напыляемых частиц с поверхностью детали;
  • физико-химическое взаимодействие материалов частицы и детали, в том числе ведущие к образованию прочного сцепления.

Это послужило основой успешного развития комплекса работ по созданию и промышленному внедрению оборудования и технологии детонационно-газового напыления покрытий.

Разработана теория взаимодействия дисперсных частиц с твердой поверхностью при газотермических методах напыления, учитывающая скорость соударения и влияние импульсного давления на тепловые процессы в зоне их контакта. Впервые экспериментально и теоретически обоснована неоднородность термомеханического и физико-химического взаимодействия материалов в зоне контакта частица – твердая поверхность. Разработаны методы управления структурой и свойствами детонационно-газовых покрытий.

В результате проведенных научных работ создана и внедрена малогабаритная детонационно-газовая установка для напыления порошковых покрытий. Новизна разработанных способов и оборудования детонационно-газового напыления защищена более чем 100 авторскими свидетельствами СССР на изобретения. Впервые в истории ВНУ им. В. Даля получен первый зарубежный патент (Франция и ФРГ). Разработки неоднократно демонстрировались на выставках народного хозяйства СССР (Москва) и УССР (Киев) и были удостоены двух серебряных медалей ВДНХ СССР.

Работы по детонационно-газовому напылению позволили также создать способ и установку для избирательного дробления природного алмазного сырья, внедренного в ГОХРАН Минфина СССР, обеспечивающему более высокий выход крупных фракций алмазов.

  1. Развитие и совершенствование научных и технологических основ конструирования и производства деталей и инструментов с поверхностно упрочненными слоями, обеспечивающими повышенные функциональные свойства (износостойкость, поверхностная прочность, жаростойкость и др.).

Новизна научного подхода, состоит в комплексном подходе к анализу технологических процессов изготовления деталей с защитными и функциональными покрытиями и поверхностно упрочненными слоями. Изучены основные причины погрешностей при изготовлении деталей с покрытиями. Разработана методика расчета конструкторских и технологических, размеров деталей с покрытиями. Обоснованы требования к контролю качества деталей с покрытиями. Сформулированы подходы к разработке триботехнических покрытий с повышенными эксплуатационными свойствами.

Разработана классификация и методика прогнозирования новых способов получения защитных и функциональных покрытий, а также модифицирования поверхностных слоев деталей на основе современных представлений теории формообразования.

Разработаны методические рекомендации по проектированию производства защитных и функциональных покрытий.

С 1985 года на кафедре под руководством доцента Г.Л. Хмеловского начинаются работы по созданию систем автоматизированного проектирования (САПР) металлорежущих и инструментальных систем. Эти работы проводились в содружестве с отделами САПР Института технической кибернетики АН БССР и Института кибернетики АН УССР им. В. Глушкова. Проводимые на кафедре исследования и разработки выполнялись в рамках Общесоюзной целевой программы ОЦ027 «Создание и развитие автоматизированных систем научных исследований (АСНИ) и систем автоматизированного проектирования с применением стандартной аппаратуры КАМАК и измерительно-вычислительных комплексов», которая была утверждена Государственным комитетом по науке и технике при СМ СССР. Разработанный на кафедре методический и программный комплекс САПР металлорежущих и инструментальных систем принят межведомственной комиссией в опытную эксплуатацию. В составе межведомственного программно-технического комплекса эти программные продукты были внедрены более чем в 20 министерствах союзного и республиканского значения.

Программно-методический комплекс по проектированию и моделированию станочных систем в 1987 году награжден медалью ВДНХ СССР за третье место в конкурсе научно-исследовательских работ.

Разработанный преподавателями кафедры Г.Л. Хмеловским и О.С. Кроль комплект программ САПР в 1990 г. зарегистрирован в Государственном фонде алгоритмов и программ.

Интересные исследования в 90-е годы проводились по проблеме оптимизации процессов механообработки. Внедрены в практику ряд программно-методических продуктов по использованию методов линейного, нелинейного и геометрического программирования. Результаты исследований опубликованы в центральных изданиях: Известия Вузов, журнал «Станки и инструменты. Выпущена монография по оптимизации режимов резания на различном металлорежущем оборудовании.

Начиная с 2000 года на кафедре интенсивно проводятся работы по внедрению двух известных САПР: КОМПАС группы компаний АСКОН и АРМ «WinMachine» фирмы НТЦ АПМ. Проводимые исследования по 3D-моделированию объектов станкостроения и методу конечных элементов, предназначенного для оценки напряженно-деформированного состояния дают возможность использовать ИТ-технологии как в исследованиях так и в учебном процессе. Впервые в истории кафедры издан учебник с грифом Министерства образования и науки, молодежи и спорта Украины «Проектування металорізальних верстатів у середовищі APM «WinMachine» (2011 г., авторы Кроль О.С, Шевченко С.В., Соколов В.И.).

В 2012 г. студент группы ММ-371 Бурлаков Е.И. стал победителем международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Прогрессивные направления развития машиноприборостроительных отраслей и транспорта» (г. Севастополь, 2012 г.). Его работа победила в Х Международном конкурсе «Будущие асы компь-ютерного 3D-моделирования» в категории до 200 деталей в сборке, проведенном группой компаний «АСКОН» в 2012 г. в г. Москва. В 2014 г. сразу две работы студентов кафедры стали серебряным и бронзовыми призерами ХII Международного конкурса «Будущие асы компьютерного 3D-моделирования», проведенном группой компаний АСКОН, который проводился в г. Санкт-Петербург (научный руководитель проф. Кроль О.С.). Проект многооперационного металлорежущего станка модели СВМ1ПФ4 студента группы ММ-391 Сухорутченко И.А. завоевал серебряную медаль конкурса в самой престижной «тяжелой» весовой категории – свыше 1000 деталей в сборке. Проект признан как выдающееся достижение в области 3D-моделирования. Проект специализированного шестишпиндельного фрезерно-сверлильного станка модели СФ16МФ3 студента группы ММ-391 Журавлева В.В. завоевал бронзовую медаль в «средней» весовой категории – до 1000 деталей в сборке. Его проект признан наиболее интересным в плане максимального использования прикладных библиотек КОМПАС и инструментария рендеринга.  Студенты кафедры ежегодно активно участвуют в Международных и Всеукраинских научно-технических конференциях, конкурсах и олимпиадах, где неоднократно становились победителями и призерами.

шпиндель

Рис. 6. Шпиндельный узел программно-управляемого обрабатывающего центра ОЦ200

 

За годы существования кафедры коллективом издано свыше 2000 научных статей в различных журналах и научных сборниках, 150 монографий, учебников и учебных пособий с грифом Министерства образования и науки, молодежи и спорта Украины, получено 250 авторских свидетельств и патентов. Из года в год студенты кафедры занимают призовые места на республиканских олимпиадах, в конкурсах студенческих научных работ вузов Украины и международных научно-технических конференций студентов, аспирантов и молодых ученых.