Розвиток наукових досліджень на кафедрі

З моменту заснування кафедри «Різання металів і металорізальні верстати» велике значення приділялося науково-дослідній роботі. Основним напрямком наукових досліджень стала автоматизована токарно-давильна обробка оболонкових деталей. І успіх не змусив довго чекати. Уже 1967 році за розвиток науково-дослідної роботи в області токарно-давильної обробки колектив кафедри був відзначений дипломом Виставки досягнень народного господарства (ВДНГ) СРСР.

Все актуальнішими стають ресурсозберігаючі технології. На кафедрі проводяться інтенсивні дослідження гнучкої ресурсозберігаючої технології виготовлення оболонкових деталей (ГРТ). Вона заснована на комплексному застосуванні більш ніж 20 операцій обробки листових і порожнистих заготовок шляхом пластичної деформації і різанням на токарних верстатах з ЧПУ, призначених для ротаційної витяжки (РВ), розкочування, загину крайок, обтиску, вигладжування, накатки рифлень, токарного оброблення, шліфування і інших операцій. Основні деталі, що виготовляються методами ГРТ (рис. 1).

оболочки

Рис. 1. Оболонкові деталі, що виготовляються методами ГРТ.

Автоматизована токарно-давильна обробка реалізується на високих частотах обертання – приблизно 100-500 хв-1 і високих питомих тисках 2500 … 3000 МПа. Методами ГРТ в холодному стані можна виготовляти оболонкові деталі з низьковуглецевих сталей і сплавів міді товщиною від 1 до 4 мм і алюмінієвих сплавів товщиною до 10 мм (рис. 2). Діаметр оброблюваних деталей – від 20 до 1500 мм. Більшість деталей остаточно виготовляють з однієї постановки завдяки концентрації операцій на верстаті з ЧПУ.

В останні роки ГРТ набула особливого значення в області виробництва тонкостінних деталей з важкооброблюваних матеріалів: легованих сталей, нікелю, молібдену, літію, ніобію, титану, танталу і їх сплавів з нагріванням заготовки в процесі витяжки газовим пальником або іншими способами.

Правильність розробки технології, точний розрахунок керуючих програм ГРТ і кваліфікована наладка верстата є гарантією стабільної якості оболонкових деталей. ГРТ доповнює і розширює технологічні можливості сучасних методів штампування оболонкових деталей, тому вона необхідна багатьом підприємствам для підвищення гнучкості і економічної ефективності виробництва. Завдяки поєднанню різних методів формоутворення оболонкових деталей шляхом пластичної деформації і різанням стає можливим рішення дуже складних технологічних завдань. Особливо ефективна ГРТ в одиничному і серійному виробництвах при частій зміні виробів.

У 1983 році за розробку нових моделей токарно-давильних верстатів інженер І.В. Кочетов нагороджений золотою медаллю ВДНГ СРСР, доцент Могильний Н.І. срібною медаллю, інженер Е.Л. Фрегер і доцент В.М. Моїсеєв бронзовими медалями.

Впровадження в виробництво ГРТ на токарних верстатах з ЧПУ дозволяє:

  • в 15 – 20 разів скоротити терміни підготовки виробництва в порівнянні зі штампуванням на пресах;
  • різко скоротити витрати на оснащення і перемістити основну роботу з підготовки виробництва з інструментальних цехів в область інтелектуальної праці, що виконується за допомогою ЕОМ;
  • в 3 – 8 разів знизити витрату металу на оснащення за рахунок заміни металомістких витяжних, вирубних і обрізних штампів простим універсальним давильним інструментом, оправками і різцями;
  • знизити витрату металу шляхом удосконалення конструкції складних оболонкових деталей і заміни зварних оболонок цільними;
  • скоротити цикл виготовлення складних оболонкових деталей, знизити вартість і забезпечити стабільну якість;
  • замінити важку і непопулярну професію токаря-давильника престижною спеціальністю оператора верстатів з ЧПУ;
  • значною мірою розвантажити дефіцитне і дороге пресове обладнання за рахунок більш раціонального використання наявних токарних верстатів з ЧПУ;
  • значною мірою скоротити імпорт дорогих токарно-давильних верстатів з ЧПУ, вартість яких становить від 200 до 500 тисяч доларів.

Інтеграція операцій АРВ і токарної обробки дає можливість перейти від звичайних методів виготовлення оболонкових деталей штампуванням на пресах до вищих технологій керованого формоутворення пластичним деформуванням і різанням, заснованим на раціональному застосуванні персональних ЕОМ, автоматизованого програмування і проектування.

Гнучка ресурсозберігаюча технологія виготовлення оболонкових деталей все ширше застосовується для виготовлення оболонкових деталей при виробництві машин, приладів, апаратів і предметів побутового призначення.

Кафедра розробляє і передає підприємствам технічну документацію на гнучку технологію виготовлення оболонкових деталей на верстатах з ЧПУ, методи розрахунку керуючих програм за допомогою ЕОМ, пристосування і інструмент;навчає технологів-програмістів та операторів верстатів з ЧПУ;надає практичну допомогу щодо впровадження розробок у виробництво.

Весь цикл робіт від укладання договору до впровадження ГРТ в виробництво становить 12 – 18 місяців.

Економічний ефект від впровадження ГРТ, пристроїв та інструменту для її реалізації окупає витрати і дозволяє отримувати істотний прибуток.

Зі збільшенням діаметрів деталей, виготовлених методами ГРТ, економічна ефективність різко зростає.

Переваги ГРТ в порівнянні зі штампуванням показані на рис.2.

За окремими договорами з підприємствами інститут може в короткі терміни виготовити з матеріалу замовника невеликі партії деталей, аналогічних тим, які показані на рис.1.

 

диаграмма

Рис. 2. Діаграма, що характеризує економічну ефективність ГРТ

в порівнянні зі штампуванням

 

На початку 1970-х починаються дослідження термофрикційної обробки (ТФО).Структурним підрозділом кафедри стає лабораторія «метали, що важко піддаються обробці», науковим керівником якої був доцент Є.У.Зарубицький (згодом доктор технічних наук, професор).

Термофрикційної обробка відноситься до високопродуктивних методів обробки заготовок з попереднім нагріванням для чорнового різання плоских поверхонь деталей з великими нерівномірно наклепаними і сильно забрудненими абразивними включеннями.Особливо ефективним є застосування термофрикційної різання при обробці важкооброблюваних (жароміцних корозійностійких) сталей і сплавів.

Контроль здійснюється шляхом використання теплоти роботи тертя, що полягає в тому, що при окружної швидкості обертання диска тертя 50 … 80 м / с (теплотворний рух) і порівняно помірної подачі (рух різання) 550 … 750 мм / хв забезпечується розігрів шару оброблюваного металу безпосередньо в контактній зоні до температури 1100 … 1200 º с, сприяючи його інтенсивній пластичній течії вздовж передньої поверхні диска з подальшим зрізанням ріжучої крайкою. При цьому нагрів поверхневого шару деталі в зоні різання не перевищує 600 … 700 º С, а нагрів диска тертя 50 … 60 º С.Схема термофрикційного різання представлена на рис.3, а зміна параметрів в межах одного циклу представлено на рис.4. Утворена велика суцільна зливна стружка безпечна для оператора, зручна для збору і транспортування.

 

схема

Рис. 3.

Схема термофрикційного різання

схема2

Рис. 4. Зміна параметрів ТФО за час одного циклу

Перевагою термофрикційного різання є простота реалізації з використанням універсального обладнання. Дійсно, для обробки поверхонь дрібно- та середньогабаритних деталей використовують вертикально-фрезерні верстати другого і третього типорозмірів з частково модернізованими приводом швидкостей, з метою отримання диском тертя закріпленого в шпинделі верстата за типом насадних торцевих фрез стабільно високої частоти обертання хв -1, що забезпечує йому окружну швидкість, необхідну для здійснення процесу.Важливо і те, що процес не вимагає централізованого випуску та постачання інструментів і оснащення.

Експлуатаційною перевагою є можливість заточування інструменту в міру його затуплення безпосередньо на верстаті, а такий важливий техніко-економічний показник як стійкість диска, в залежності від виду оброблюваного матеріалу досягає від 15 до 40 годин, що практично на порядок вище стійкості класичного лезового інструменту.

Цілий комплекс досліджень ТФО показав, що обробка диском тертя не робить істотного впливу на хімічний склад, структуру і твердість матеріалу поверхні деталей, а отже на умови подальшої чистової обробки.Впровадження цього методу обробки дозволяє підвищити продуктивність праці в 1,2 … 2,5 рази.

На ВДНГ СРСР неодноразово демонструвалися верстати для термофрикційної обробки, створені на кафедрі.Науковий керівник цієї розробки доцент Є.У.Зарубицький нагороджений срібною медаллю, а співробітники кафедри В.А.Плахотник, Н.І.Покінтеліца, Т.П.Костіна бронзовими медалями.

Теоретичний і практичний інтерес викликали дослідження електрофрікційного розрізання, що проводяться доцентом Н.І.Покінтеліцей, який був завідувачем кафедри, починаючи з 2000 по 2009 роки.Особливість способу електрофрікційного розрізання полягає в тому, що до місця контакту пилки тертя з оброблюваної заготовкою підведений електричний струм збільшеної сили і низької напруги, внаслідок чого зона стружкоутворення піддається сильному нагріванню і під дією зусилля подачі пилки тертя, що обертається, деформується і руйнується (рис. 5).При цьому досягається висока продуктивність розрізання важкооброблюваних матеріалів і економія дорогих інструментальних матеріалів.Конструктивні рішення цього нового методу розрізання захищені багатьма патентами України і Росії.

 

схема3

Рис. 5. Схема електрофрікційного розрізання

 

З приходом на кафедру проф.Ю.А.Харламова почалися дослідження в галузі інженерії поверхні.

Роботи в галузі інженерії поверхні ведуться за двома напрямками:

  1. Розробка фізико-хімічних і технологічних основ детонаційно-газового напилення покриттів.

Наукова новизна полягає в комплексному підході до аналізу процесу отримання покриттів, як складної неоднорідної системи і вивченні окремих взаємопов’язаних етапів робочого циклу детонаційно-газового напилення:

  • дозування і подача газів;дозування і подача порошку;газообмін і наповнення стовбура свіжим зарядом газів і порошку;
  • вигоряння горючої суміші;формування імпульсного високотемпературного потоку продуктів згоряння;
  • динамічна і теплова взаємодія частинок порошку з імпульсним газовим потоком;
  • формування імпульсного гетерогенного струменя і фізико-хімічні перетворення в частинках напилюваного порошку;
  • витікання імпульсного гетерогенного струменя зі стовбура;
  • взаємодія імпульсного гетерогенного струменя з поверхні деталі яка напиляється;
  • термомеханічна взаємодія частинок, що напилюються, з поверхнею деталі;
  • фізико-хімічна взаємодія матеріалів частки і деталі, що призводить до утворення міцного зчеплення.

Це послужило основою успішного розвитку комплексу робіт зі створення і промислового впровадження обладнання і технології детонаційно-газового напилення покриттів.

Розроблено теорію взаємодії дисперсних частинок з твердою поверхнею при газотермичних методах напилення, що враховує швидкість зіткнення і вплив імпульсного тиску на теплові процеси в зоні їх контакту.Вперше експериментально і теоретично обґрунтована неоднорідність термомеханічної і фізико-хімічної взаємодії матеріалів в зоні контакту частка – тверда поверхня.Розроблено методи управління структурою і властивостями детонаційно-газових покриттів.

В результаті проведених наукових робіт створена і впроваджена малогабаритна детонаційно-газова установка для напилення порошкових покриттів.Новизна розроблених способів і устаткування детонаційно-газового напилення захищена більш ніж 100 авторськими свідоцтвами СРСР на винаходи.Вперше в історії СНУ ім.В. Даля отримано закордонні патенти (Франція та ФРН).Розробки неодноразово демонструвалися на виставках народного господарства СРСР (Москва) і УРСР (Київ) і були удостоєні двох срібних медалей ВДНГ СРСР.

Роботи по детонаційному-газового напилювання дозволили також створити спосіб і установку для виборчого дроблення природного алмазної сировини, впроваджені в Гохран Мінфіну СРСР, що забезпечує більш високий вихід великих фракцій алмазів.

  1. Розвиток і вдосконалення наукових і технологічних основ конструювання і виробництва деталей і інструментів з поверхнево зміцненим шарами, що забезпечують підвищені функціональні властивості (зносостійкість, поверхнева міцність, жаростійкість і ін.).

Наукова новизна полягає в комплексному підході до аналізу технологічних процесів виготовлення деталей із захисними і функціональними покриттями і поверхнево зміцненим шарами.Вивчено основні причини похибок при виготовленні деталей з покриттями.Розроблено методику розрахунку конструкторських і технологічних, розмірів деталей з покриттями.Обґрунтовано вимоги до контролю якості деталей з покриттями.Сформульовано підходи до розробки триботехнічних покриттів з підвищеними експлуатаційними властивостями.

Розроблено класифікацію та методику прогнозування нових способів отримання захисних і функціональних покриттів, а також модифікування поверхневих шарів деталей на основі сучасних уявлень теорії формоутворення.

Розроблено методичні рекомендації з проектування виробництва захисних і функціональних покриттів.

З 1985 року на кафедрі під керівництвом доцента Г.Л. Хмеловського починаються роботи зі створення систем автоматизованого проектування (САПР) металорізальних і інструментальних систем.Ці роботи проводилися в співдружності з відділами САПР Інституту технічної кібернетики АН БРСР та Інституту кібернетики АН УРСР ім.В. Глушкова.Проведені на кафедрі дослідження і розробки виконувалися в рамках загальносоюзної цільової програми ОЦ027 «Створення та розвиток автоматизованих систем наукових досліджень (АСНИ) і систем автоматизованого проектування з застосуванням стандартної апаратури КАМАК і вимірювально-обчислювальних комплексів», яка була затверджена Державним комітетом з науки і техніки при СМ СРСР.Розроблений на кафедрі методичний та програмний комплекс САПР металорізальних і інструментальних систем прийнято міжвідомчою комісією в дослідну експлуатацію.У складі міжвідомчої програмно-технічного комплексу ці програмні продукти були впроваджені більш ніж в 20 міністерствах союзного і республіканського значення.

Програмно-методичний комплекс з проектування та моделювання верстатних систем в 1987 році нагороджений медаллю ВДНГ СРСР за третє місце в конкурсі науково-дослідницьких робіт.

Розроблений викладачами кафедри Г.Л. Хмеловським і О.С.Кролем комплект програм САПР в 1990 р зареєстрований в Державному фонді алгоритмів і програм.

Цікаві дослідження в 90-ті роки проводилися з проблеми оптимізації процесів механічної обробки.Впроваджені в практику ряд програмно-методичних продуктів з використання методів лінійного, нелінійного і геометричного програмування.Результати досліджень опубліковані в центральних виданнях: «Известия Вузов», журналі «Верстати та інструменти».Випущена монографія по оптимізації режимів різання на різному металорізальному обладнанні.

Починаючи з 2000 року на кафедрі інтенсивно проводяться роботи по впровадженню двох відомих САПР: КОМПАС групи компаній АСКОН і АРМ «WinMachine» фірми НТЦ АПМ.Проведені дослідження по 3D-моделювання об’єктів верстатобудування і методу скінченних елементів, призначеного для оцінки напружено-деформованого стану дають можливість використовувати ІТ-технології як в дослідженнях так і в навчальному процесі.Вперше в історії кафедри видано підручник з грифом Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України «Проектування металорізальніх верстатів у середовіщі APM« WinMachine »(2011 р, автори Кроль О.С, Шевченко С.В., Соколов В.І.) .

У 2012 р студент групи ММ-371 Бурлаков Є.І. став переможцем міжнародної науково-технічної конференції студентів, аспірантів і молодих вчених «Прогресивні напрямки розвитку машінопріборостроітельних галузей і транспорту» (м.Севастополь, 2012 року). Його робота перемогла в Х Міжнародному конкурсі «Майбутні аси комп-ютерного 3D-моделювання» в категорії до 200 деталей в збірці, проведеному групою компаній «АСКОН» в 2012 р в м Москва. У 2014 р одразу дві роботи студентів кафедри стали срібним та бронзовими призерами ХІІ Міжнародного конкурсу «Майбутні аси комп’ютерного 3D-моделювання», проведеному групою компаній АСКОН, який проводився в м Санкт-Петербург (науковий керівник проф. Кроль О.С.) .Проект багатоопераційного металорізального верстата моделі СВМ1ПФ4 студента групи ММ-391 Сухорутченко І.А. завоював срібну медаль конкурсу в найпрестижнішій «важкої» ваговій категорії – понад 1000 деталей в збірці. Проект визнаний як видатне досягнення в області 3D-моделювання. Проект спеціалізованого Шестишпиндельний фрезерно-свердлильного верстата моделі СФ16МФ3 студента групи ММ-391 Журавльова В.В. завоював бронзову медаль в «середньої» ваговій категорії – до 1000 деталей в збірці. Його проект визнаний найбільш цікавим в плані максимального використання прикладних бібліотек КОМПАС і інструментарію рендеринга. Студенти кафедри щорічно беруть активну участь в Міжнародних та Всеукраїнських науково-технічних конференціях, конкурсах і олімпіадах, де неодноразово ставали переможцями і призерами.

 

шпиндель

Рис. 6. Вузол шпінделя програмно-керованого обробного центру ОЦ200

 

За роки існування кафедри колективом видано понад 2000 наукових статей в різних журналах і наукових збірниках, 150 монографій, підручників і навчальних посібників з грифом Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України, отримано 250 авторських свідоцтв і патентів. З року в рік студенти кафедри посідають призові місця на республіканських олімпіадах, в конкурсах студентських наукових робіт вузів України і міжнародних науково-технічних конференцій студентів, аспірантів і молодих вчених.