Прогрессивные технологии и системы машиностроения. Выпуск 4 (67) 2019 by Донецкий политехник (Донецкий национальный технический университет)

ISSN 2073-3216 (E) ISSN 2518-7120

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ ДНР ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» Посвящается 50-летию кафедры «Технология машиностроения» ДонНТУ

ПРОГРЕССИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И СИСТЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ

Международный сборник научных трудов Основан в декабре 1994 года Выходит 4 раза в год

Выпуск 4 (67)’ 2019

Донецк – 2019

УДК 621.01(06) Рекомендован к изданию Ученым Советом Донецкого национального технического университета (протокол № 4 от 24 мая 2019 г.)

В международном сборнике научных работ приведены некоторые вопросы теории и практики обработки изделий прогрессивными методами, показаны достижения и пути развития технологического оборудования, оснастки, металлорежущего инструмента и нанесения специальных покрытий на изделия машиностроения. Рассмотрены отдельные аспекты автоматизации производственных процессов и надежности технологического оборудования. Освещены современные проблемы материаловедения в машиностроении. В данном сборнике публикуются ученые и ведущие специалисты из различных стран мира. Предназначен для научно-технических работников, ИТР и специалистов в области машиностроения. Учредитель и издатель – Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Донецкий национальный технический университет» (Свидетельство о государственной регистрации юридического лица от 07.04.2016 г. № 029192 серия АА03). Издается при содействии Международного союза машиностроителей РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ: Михайлов А.Н. (гл. редактор), Гусев В.В. (зам. гл. редактора), Лахин А.М. (секретарь) (ДНР), Байков А.В. (ДНР), Бахадиров Г.А. (Узбекистан), Братан С.М. (Россия), Буленков Е.А. (ДНР), Бутенко В.И. (Россия), Витренко В.А. (ЛНР), Горобец И.А. (ДНР), Грубка Р.М. (ДНР), Данияров Н.А. (Казахстан), Еронько С.П. (ДНР), Ивченко Т.Г. (ДНР), Коваленко В.И. (ДНР), Курбанов Х.К. (Туркменистан), Ищенко А.Л., Мазуру С. (Молдова), Маляренко А.Д. (Беларусь), Мельникова Е.П. (ДНР), Навка И.П. (ДНР), Неделку Д. (Румыния), Поветкин В.В. (Казахстан), Прутяну О. (Румыния), Родованович М. (Сербия), Сидорова Е.В. (ДНР), Суслов А.Г. (Россия), Тока О. (Молдова), Федонин О.Н. (Россия), Хандожко А.В. (Россия), Чернышев Е.А. (ДНР), Шабаев О.Е. (ДНР) Адрес редакции: ДНР, 83001, г. Донецк, ул. Артема, 58, ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ, кафедра ТМ. Тел.: +38 062 301-08-40, E-mail: tm@fimm.donntu.org, Сайт: http://ptsm.donntu.org Сборник (E) зарегистрирован в Министерстве информации Донецкой Свидетельство о регистрации СМИ от 20 апреля 2017 г., серия ААА № 000125.

Народной

Республики.

Сборник включен в перечень рецензируемых изданий ВАК ДНР (приказ №744 от 24.07.2017 г.), в котором могут публиковаться результаты диссертационных работ на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук, а также в базу данных РИНЦ (Российский индекс научного цитирования) (лицензионный договор № 177-04/2013 от 12.04. 2013 г.)

ISSN 2073-3216 ISSN 2518-7120 (E) Авторы статей, 2019 ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет», 2019

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

УДК 62-236.58:606:61 Н. Г. Акопян, аспирант кафедры Механики и машиноведения, А. Н. Багдасарян, магистрант кафедры Механики и машиноведения, Национальный Политехнический Университет Армении, Ереван, Армения. Tel / Fax: +374 (093) 066506; E-mail: hakobyan_nina@list.ru Tel / Fax: +374 (055) 623231; E-mail: artashes.baghdasaryan97@gmail.com МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭКЗОСКЕЛЕТОННОГО МОДУЛЯ И ЕГО ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИЗ УСЛОВИЙ ЖЕСТКОСТИ ЗВЕНЬЕВ Экзоскелетон это носимая, роботизированная, электромеханическая или механическая конструкция, предназначенная для компенсации утраченных функций, а также для увеличения физических возможностей пользователя. В статье аналитическим методом проведен силовой анализ экзоскелетонного модуля в зависимости от обобщенной координаты системы, опредены реакции в кинематических парах при максимальной силе развиваемой уравновешивающими пружинами. Величины реакций в кинематических парах использовались для расчета экзоскелетона при обеспечении необходимой жесткости его звеньев. Было проведено численное моделирование экзоскелетона с помощью программного обеспечения ANSYS и определено напряженно-деформированное состояние его звеньев. Ключевые слова: уравновешанный экзоскелетон, обобщенные координаты, силовой анализ, напряженно-деформированное состояние. N. H. Hakobyan, A. N. Baghdasaryan MODELING OF THE EXOSKELETON MODULE AND ITS DESIGNING FROM THE CONDITIONS OF RIGIDITY OF LINKS An exoskeleton is a wearable, robotic, electromechanical or mechanical design designed to compensate for lost functions, as well as to increase the user's physical capabilities. In the article, an analytical method was used to analyze the exoskeleton module depending on the generalized coordinate of the system, determined the reactions in kinematic pairs with the maximum force developed by balancing springs. The magnitudes of the reactions in kinematic pairs were used to calculate the exoskeleton while ensuring the necessary rigidity of its links. Numerical modeling of the exoskeleton was carried out using the ANSYS software and the stress-strain state of its links was determined. Keywords: balanced exoskeleton, generalized coordinates, force analysis, stress-strain state

1. Введение. Экзоскелетон это носимая роботизированная, электромеханическая или механическая конструкция, предназначенная для компенсации утраченных двигательных функций человека, а также для увеличения его физических возможностей [1]. Экзоскелетонам предъявляются требования гибкости, многофункциональности, мягкости, энергосбережения, комфорта. Уравновешивание звеньев также очень важно для их конструкции, которое осуществляется с помощью противовесов, пружин и дополнительных механизмов. Исследования показали преимущество статически сбалансированных систем по сравнению с несбалансированными при их работе в динамических режимах [2-4, 8-12]. 2. Силовой анализ экзоскелетонной сбалансированной системы Расчетная схема экзоскелетонного модуля представлена на рис. 1. На модуль действуют в точке O 1-ого звена реакции Rox и Roy , в точке D реакции R Dx и RDy .

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

GZ - сила тяжести пружины, определяемая по следующей формуле Gz  0,5(mz1  mz 2 ) g , где масса первой и второй пружин соответственно mz1 , mz 2 . F1 и F2 - соответственно усилия первой и второй пружин: (1) F  F1  F2 , F  F n  F t . Уравнение равновесия 2-ого сегмента биомеханической системы: n

M i 1

( 2) D

(F i)  0

(2)

Рисунок 1. Расчетная схема экзоскелетонного модуля. при 2   / 2 , n

F

i 1

F i 1

(G2 l DC2  G3lCD  G z l AD ) l AD

 RDy  G3  G2  Gz  F n sin 2  F t cos2 ,

0

n Fmax 

 RDx  F n cos  2  F t sin  2 :

0

(3) (4) (5)

Уравнение равновесия 1-ого звена биомеханической системы: n

M i 1

(1) 0

 0  RDx cos 1lOD  RDy sin 1lOD  G1 sin 1lOC1  0 , n

F

i 1 n

F i 1

0

(6)

 Rox  RDx ,

(7)

 0  Roy  G1  RDy .

(8)

Выполняя соответствующие обозначения,

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

G2 l DC2  G3 lCD  G z l AD  y sin 2  2  F t cos  2  RD  G3  G2  G z  l AD  имеем:  .  R x  (G2 l DC2  G3 lCD  G z l AD ) sin  2 cos  2  F t sin  2  D l AD 

(9)

Касательная компонента сил, развиваемых пружинами:

Ft 

(G2 l DC2  G3 l CD  G z l AD ) cos(1   2 ) l AD sin( 1   2 )



G2 sin 1l OC1 (G3  G2  G z ) sin 1  . (10) sin( 1   2 ) l OD sin( 1   2 )

Подставив F t в формулу (9) определяем RDy , RDx , после чего при помощи (7) и (8) определяем Rox և Roy . 3. Проектирование статически уравновешанного экзоскелетного модуля при изгибе и кручении его звеньев. Из уравнений равновесия определяются реакции в кинематических парах x RO ( RO , ROy ) и RD ( RDx , RDy ) и суммарная нагрузка пружин на второй сегмент в точке A и их усилия F ( F n , F t ) , которые зависят от обобщенных координат механизма. Задача состоит в определении величин сил, действующих на звенья их при максимальном нагружении и проектировании звеньев из условий их жесткости. По методу Мора [5] получаем  Cn1 (1 ,  2 ) прогиб в точке C 1-го звена:

 Cn  1

1 1 x 2 lOC1 (lOD  lOC1 ) 2 ( ( RO cos 1  ROy sin 1 )lOC  1 EI 2 3 lOD

. (11) l ( l  l ) 1 x 2 OC OD OC 1 1  ( RO cos 1  ROy sin 1 )lOC1 (lOD  lOC1 ) ) 2 3 lOD Прогиб в опасной точке определяется также с помощью универсального уравнения упругой линии звеньев. Соединение второго звена с первым рассматривается как закрепление, имея в виду его фиксацию в расчетной позиции. В этом случае граничными условиям будут:

1) x  0, v0  0 2) x  0,  0  0

(12)

где x-координатная ось, которая совпадает с недеформированной продольной осью звена, v - прогиб звена, а  (x ) угол поворота сечения: Универсальное уравнение упругой линии [6] звена имеет вид: (x  x p )3 ( x  xq ) 4 ( x  xM ) 2 EI z v( x)  EI z v0  EI z 0 x  M H ( xM )  P H ( xP )  q H ( xq ) (13) 2 6 24 где H ( xi ) - функция Хевисайда, которая выражается следующим образом. 0 ( x  xi ) . (14) H ( xi )   1 ( x  xi )

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

E - модуль Юнга, I z - момент инерции поперечного сечения звена. M- момент, Pсила, q-распределенная нагрузка, действующие на звено: ( x  l AD ) 3 ( x  0) 2 ( x  0) 3 . (15) EI z v( x)  M O H (0)  ROt H (0)  G1 sin 1 2 6 6 точке А 2-ого звена  An (1 ,  2 ) прогиб определяется из универсального уравнения (15) упругой линии. Универсальное уравнение упругой линии звена имеет следующий вид: ( x  l AD ) 3 ( x  0) 2 ( x  0) 3 EI z v( x)  M D H (0)  RDt H (0)  F n H (l AD )  2 6 6 . (16) ( x  l DC2 ) 3 ( x  l AD ) 3  G z sin  2 H (l AD )  G2 sin  2 6 6 M D выражение момента: (17) M D  F n l AD  (Gz l AD  G2 l DC2  G3l 2 ) sin  2 . Условие жесткости при изгибе: max v( x)  v , где v  0.01l . От силы тяжести 1 звена образуются крутящий момент и угол закручивания, которые определяются следующими известными формулами: M x1 l1 Для 1-ого звена: M x1  G1 sin 1h1 , . (18)  k1  GI k 1 M x 2 l AD Для 2-ого звена: M x 2  (G2  0.5(G4  G5 )h2 , . (19) k2  GI k 2 Условие жесткости при кручении:  ki   ki . Здесь принимаем, что допускаемый угол кручения составляет  ki   0,02 (рад). Из условий жесткости определяются размеры поперечных сечений звеньев экзоскелетона.

4. Пример аналитического моделирования 4.1. Данные и условия моделирования. Для расчетов используем следующие данные: 1. Масса человека составляет`

M=65(кг), рост` L=1,72(м). 4.33%,

1. 2. 3. 4.

Известно [6], что бедро составляет 14.165% от общей массы тела , голень стопа 1.37%, из расчетов получаем: масса бедра (кг), масса голени (кг), масса стопы (кг), массы пружин: сила тяжести голени: сила тяжести бедра: сила тяжести стопы

(кг),

(кг), (Н), (Н), (Н),

сила тяжести пружин: 5. длины звеньев:

( Н), (м),

Прогрессивные технологии и системы машиностроения 6. обобщенные координаты `

№ 4(67)’2019

( Н/м2) – модуль упругости для карбона. Условие жесткости на изгиб: , где Условие жесткости на кручение: , где

. (рад).

4.2. Силовой расчет экзоскелетонного модуля

Рисунок 2. Результаты cилового расчета системы в зависимости от положения голени 5. Численное моделирование модуля экзоскелетона в программной среде ANSIS Разработка моделей является актуальной проблемой, основанной на общих принципах механики. При этом важно учитывать только те свойства реальных объектов, которые играют ключевую роль в изучении данного явления. Обычно модель имеет дело только с определенными свойствами наблюдаемого явления: две модели одного и того же объекта могут существенно отличаться. Необходимо сочетать теоретические выводы, основанные на выбранной модели, с практическими

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

результатами, полученными в результате экспериментов. Конечно, нет необходимости ожидать полного совпадения в этой комбинации, поскольку модель представляет собой абстракцию реальной системы, а с другой стороны, эксперимент проводится не в идеальных условиях, поэтому необходимо заранее определить требуемую точность совпадения. Моделирование и анализ позволяют избежать дорогостоящих и долгосрочных этапов “Дизайн-Производство-Тестирование”. ANSYS - развивающаяся вычислительная система, которая широко используется в автоматизированных инженерных расчетах, линейных и нелинейных, статических и динамических пространственных задачах, деформируемом твердом теле и строительной механике, в частности механике жидкости, теплообмене, электродинамике и акустике [7]. В программной среде ANSYS модель бедренного звена представлена в виде деформируемого звена из карбона, имеющего следующие геометрические параметры: R=18,3 мм, l=400 мм. Модель голени аналогична модели бедра. Механические характеристики примененного карбона приведены в табл.1. Таблица 1. Материал

Карбон

Плотность (кг/м3)

Модуль Юнга (Pa)

2850

1.4*10

Коэффициент Пуассона

0.28

Модели бедра и голени экзоскелетонного модуля были получены с помощью програмы ANSYS с треугольными конечными элементами (рис. 3). В первом случае, когда рассматривается модель бедра, его левый конец зафиксирован, что означает, что там равны нулю перемещения, действует сила тяжести величиной 90 Н, а на правом конце действуют силы приведенные во 2-ой таблице, которые взяты из графиков Rox и Roy (рис. 2).

Рисунок 3. Деление модуля на конечные элементы

Рисунок 4. A-фиксированный край, B-сила тяжести, C- переменная сила Силы изменяются с интервалом в 1 секунду, что позволяет рассматривать нагружение системы как статическое. Поскольку рассматривается плоская

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

механическая система, то составляющие сил в направлении z всегда принимаются равными нулю. Таблица 2. шаг 1 1 2 3 4 5 6 7

время (с) 0 1 2 3 4 5 6 7

X (Н) 0 24 8 0,6 0 1 -4 -27

Y (Н) 0 43 22 3 -7 -5 12 47

В результате моделирования получены прогибы (рис. 5), максимальное значение которых составило 0,73 мм и максимальное значение напряжения, которое составило 3,4 МПа на фиксированном крае (рис. 6).

Рисунок 5. Деформации бедренного звена

Рисунок 6. Напряжения в бедренном звене

Рисунок 7. Деформации голенного звена

Рисунок 8. Напряжения голенного звена

Для голенного звена принимаем, что его левый край зафиксирован и действуют силы пружины Fn и сила тяжести G. При этом сила Fn принимается равной 157,3 Н, что соответствует максимальной нагруженности голени в положении его под углом 30°. Сила тяжести стопы приложена к свободному концу голени и равна G = 36,2 Н. Был рассчитан максимальный прогиб звена голени, который составил 0,35 мм (рис. 7) и максимальное напряжение, которое составило 2,31 МПа (рис. 8). Заключение

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

В статье аналитическим методом проделан силовой анализ экозоскелетона в функции от обобщенных координат и определены реакции в его кинематических парах при максимальной силе, развиваемой пружинами. Определены максимальные реакции в кинематических парах, значения которых используются для проектирования экзоскелетона и обеспечения необходимой жесткости его звеньев. Было проведено численное моделирование экзоскелетона с помощью программного обеспечения ANSYS и определено напряженно-деформированное состояние звеньев с целью уточнения результатов расчета. ЛИТЕРАТУРА: 1.https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BA%D0%B7%D0%BE%D1%81%D 0%BA%D0%B5%D0%BB%D0%B5%D1%82 2. Arakelian, S. Ghazaryan. Gravity balancing of the human leg taking into account the spring mass. Proceedings of the 9th International Conference on Climbing and Walking Robots (CLAWAR), Brussels, Belgium, 12-14 September, 2006. 3. Arakelian, G.V. Improvement of balancing accuracy of robotic systems: Application to leg orthosis for rehabilitation devices. Mechanism and Machine Theory / G.V. Arakelian, S. Ghazaryan. – 43 N 5. – 2008. – Р. 565–575. 4. S. Banala et al., A gravity balancing leg orthosis for robotic rehabilitation. Proceedings of the International Conference of Robotics and Automation, pp. 2427-2479, 2004. 5. Феодосьев, В. И. Сопротивление материалов / В. И. Феодосьев. – М.: Наука.,1979. – 560 с. 6. Бегун, П. Н. Биомеханика / П. Н. Бегун, Я. А. Шукейло –Санкт-Петербург: Политехника, 2000. 7. https://en.wikipedia.org/wiki/Ansys. 8. Zakaryan, N.B. Dynamic analysis of the plane biped walking mechanism taking into account the elasticity of links and joints. // SEUA Proceedings, Series “Mechanics, machine science, machine building”. – 2014. – Issue 17. – №2. – P. 49-55. 9. Zakaryan, N. B. Modelling of Universal Active Module of Human Motor Function Rehabilitation Device. / N. B. Zakaryan // NPUA Proceedings, Series “Mechanics, machine science, machine building”. – 2015. – Issue 18. – №2. – P. 72-77. 10. Арутюнян, М. Г. Учет упругости приводных элементов при разработке робототехнических реабилитационных устройств. /М. Г. Арутюнян, Н. Б. Закарян // Сб. трудов XXIII межд. научно-техн. конф. “Машиностр. и техносфера ХХI века”. – Донецк: Севастополь, 2016. – Т. 1. – С. 10-13. 11. Zakaryan, N. B. Оptimal design of active orthosis with redundant composite polymer-metal controllable stiffness actuators. / N. B. Zakaryan M. G. Harutyunyan, Y. L. Sarkissian // Coll. works XXIII international scientific and technical conference “Machine Building and Technosphere in XXI century”. – Doneck-Sevastopol, 2016. – Vol. 1.–. P. 8691. 12. Казарян, С. Д. Разработка конструкций портативного ортеза для ходьбы и приседания. / С. Д. Казарян, М. Г. Арутюнян // Вестник НПУА. “Механика, машиноведение, машиностроение”. – Ереван, 2017. – N2. – С. 43-52. Поступила в редколлегию 06.05.2019 г.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

УДК 658.512 1И.

А. Горобец, канд. техн. наук, проф. 1Н. В. Голубов, ст. преподаватель, 2М. Е. Толпекина, ст. преподаватель ГОУ ВПО Донецкий национальный технический университет, г. Донецк, ДНР ГОУ ВПО «Академия гражданской защиты» МЧС ДНР, г. Донецк, ДНР Е-mail:gorobets.ascon@gmail,com ВЫБОР СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА Рассмотрена актуальность использования САПР-ТП в технической подготовке производства.. Разработаны критерии выбора рациональной САПР. Предложена методика выбора рациональной САПР-ТП для промышленных предприятий. Указаны мероприятия при внедрении CAPP/PDM/PLM. Приведен перечень изменений бизнес-процедур инженерного подразделения. Ключевые слова: диджитализация, производство, критерии, методика, выбор, алгоритм, граф I. A. Gorobets, М. V. Golооbov, M. E. Tolpekina SELECTION OF THE SYSTEM OF AUTOMATION OF TECHNOLOGICAL PREPARATION OF MACHINE-BUILDING PRODUCTION The relevance of using CAD-TP in the technical preparation of production is considered.. Criterias for the selection of a rational CAD system are developed. A method of selecting a rational CAD-TP for industrial enterprises is offered. The measures for the implementation of CAPP / PDM / PLM are indicated. A list of changes in business procedures engineering unit is given. Keywords: digitalization, production, criteria, method, selectione, algorithm, graph

1. Постановка проблемы Особенностью машиностроительного производства является длительный цикл технической подготовки производства (ТПП), составляющей 60-90% от общего цикла. Для уменьшения затрат времени на техническую подготовку производства в середине ХХ века стартовали проекты создания автоматизированных системы технологической подготовки производства (АСТПП). Однако та вычислительная база, на которой строились АСТПП до начала 90-х годов, не позволяла обеспечить необходимую эффективность и реальную комплексность процессов автоматизации машиностроительных производств. В тех условиях развития компьютерной техники и технологий были выработаны базовые принципы построения АСТПП, выразившиеся в концепции CALS (Continuous Acquisition and Lifecycle Support), родившейся в США в конце ХХ века [1]. Однако, и в настоящее время, вопросы построения АСТПП в современных динамичных условиях существования бизнеса, с учетом глобализации промышленного производства, использующего различные формы кооперации, является актуальным. 2. Анализ состояния проблемы Реализация CALS предполагает обмен технической информацией между службами предприятий, поставщиками и субподрядчиками в цифровом формате на всем протяжении жизненного цикла изделий (в последнее время эта идея имеет название «диджитализация производства»). Таким образом, назначением CALSтехнологий является обеспечение представления необходимой электронной информации в нужное время, в нужном виде, в конкретном месте любому пользователю на всех этапах жизненного цикла изделия. Концепция «диджитализации» © Горобец И.А., Голубов Н.В., Толпекина М.Е..; 2019

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

производства в настоящее время распространилась повсюду и стала мировым бизнесстандартом предприятий. Основные элементы такой технологии связаны с использованием распределенной информации и совместной работой в условиях существенно более тесного сотрудничества. В совместной работе могут участвовать как люди, работающие в разных подразделениях одной организации, так и сотрудники разных организаций, которые нуждаются в совместной работе и использовании распределенной в разных базах данных информации о предшествующих фазах жизненного цикла изделий. Во всех случаях эти люди могут завязывать отношения в рамках так называемых виртуальных предприятий. Ключевой идеей концепции является «многократное использование заинтересованными пользователями цифровой информации, предварительно созданной в системе». Это означает, что техническая и деловая информация должна собираться из баз данных множества организаций - поставщиков, подрядчиков, субподрядчиков. Любое лицо, уполномоченное на это, может получить и использовать необходимую ему информацию, объем которой возрастает по мере продвижения к концу жизненного цикла изделия. Существенную часть информации, хранящейся в базах данных, составляют данные о промышленной продукции. Обычно эта информация формируется и управляется на основе процесса, называемого управлением данными о продукции (PDM) и включает данные, относящиеся ко всем этапам жизненного цикла изделий разработке, прототипу, производству, техническому обслуживанию и утилизации. Эта информация обновляется по мере необходимости. Рассматривая производственную сферу деятельности машиностроительного предприятия, с характерным существенным циклом ТПП (от 60 до 90%) актуальным является снижение затрат на ТПП. Инструментами реализации этой задачи являются CAD/САРР/CAM/CAE системы. Одним из существенных и мало автоматизированных этапов в большинстве машиностроительных предприятий является технологическая подготовка производства, включающая в себя: 1) подготовку обширной технологической документации (маршрутных, операционных карт, карт эскизов, технологического процесса, массу ведомостей и спецификаций, согласно ГОСТ 3.1102-2011 «Единая система технологической документации. Стадии разработки и виды документов», МН, СТП и пр.); 2) управляющих программ станков с ЧПУ, обрабатывающих центров и промышленных 3-D принтеров. Первую задачу реализуют САПР технологических процессов (САПР-ТП), получившие аббревиатуру САРР (Computer-Aided Process Planning). Вторую задачу реализуют САМ системы (Computer-Aided Manufacturing). Выпадение или существенное замедление выполнения технологического этапа ТПП препятствует сквозному течению потока цифровой информации и не позволяет существовать цифровой модели производства [2]. Таким образом, автоматизация технологической подготовки производства машиностроительных предприятий является актуальной современной задачей создания цифрового производства и «диджитализации» экономики. 3. Цель работы Целью работы является формирования критериев и методики рационального выбора САПР-ТП для различных машиностроительных предприятий. 4. Критерии выбора рациональной САПР-ТП В настоящее время существует множество современных CАПР-ТП известных

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

производителей, но задача выбора и внедрения таких систем является и сегодня актуальной для большинства машиностроительных предприятий СНГ. Из известных САРР-систем в настоящее интерес представляют САПР ТП: TECHCARD, ВЕРТИКАЛЬ, ADEM САРР, T-FLEX Технология, TechnologiCS, СПРТУТ-ТП, ТехноПро, Timeline, Appius-Технология, NATTA, Teamcenter Manufacturing Access. Большинство из них имеет архитектуру, состоящую из информационного модуля - базы данных (технологической оснастки, режимов обработки, нормативносправочной информации и пр.) и модулей, реализующих проектирование технологий, планирование производства (маршрутизации и расцеховки), нормирования материалов и труда, формирования технологической документации, интеграции с CAD/PDM/PLM системами. Несмотря на схожесть специализированного программного обеспечения САРР имеет и некоторые различия. Выбор предприятием систем проектирования изделия первоначально сопровождается определением соответствующих критериев (см. рис.1):

Техническая поддержка

Системные требования

Стоимость владения

Соответстви е стандартам

Функционал системы

Критерии выбора САПР ТП

Соответствие ГОСТ Соответствие ОСТ, МН Средства автоматизации разработки ТП Наличие, степень наполнения и возможности Администрирование системы нормативно-справочной

Требования к программным средствам Требования к аппаратным средствам

информацииработа с документами Коллективная Работа с управляющими программами Контроль корректности и полноты информации

Удобство работы Поддержка актуального состояния технологической документации Наполнение системы в базовой поставке Защита информации Расширение функционала Интеграция с CAD-CAE-PDM системами Рисунок 1. Критерии выбора САПР

Наличие и полнота тенической поддержки Сервис поставщика

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

1. Функциональность. В зависимости от характера решаемых задач и типов предприятий [1,2]. При рассмотрении функциональности систем необходимо уделить внимание на: − Наличие, возможности и наполнение модулей нормативно-справочной информации (НСИ); − Возможности коллективной работы над разрабатываемым технологическим процессом, с целью уменьшения времени проектирования; − Возможность работы с управляющими программами (УП); − Возможности системы по контролю корректности и полноты информации в формируемом документе для реализации самоконтроля и нормоконтроля; − Наличие и возможности средств автоматизации разработки технологического процесса; − Возможности администрирования системы; − Возможности управления изменениями системы; − Возможности расширения функционала системы; − Возможность поддержания актуального состояния технологической документации; − Защита информации; − Возможность интеграции с CAD/CAM/CAE/PDM системами. 2. Удобство использования. Критерий определяет удобство интерфейса системы, возможность работы в доминирующей операционной системе Microsoft – Windows последних версий. 3. Соответствие стандартам. Возможность выпуска документации в соответствии с требованиями ЕСТД, а также стандартами ISO, ANSI, DIN, в случае работы предприятий с зарубежными партнерами. Наличие русского, украинского, английского, немецкого интерфейса и документации. 4 Наличие специализированных приложений. Наличие приложений, библиотек, модулей для расширения гаммы задач, решаемых на предприятии. 5. Системные требования и совместимость с периферийным оборудованием. Включают требования к аппаратным и программным средствам и СУБД (системы управления базами данных). Здесь и возможность работы в доминирующей операционной системе (Microsoft – Windows) последних версий, в некоторых случаях – возможность работы в среде Android, IOS, а также требования к выбору СУБД (например, Oracle Database, MS SQL Server, PostgreSQL, Firebird и др.). В настоящее время появляются специфические запросы пользователей - возможность работы на планшете в системах Android, IOS. 6. Стоимость владения лицензиями. Существенный критерий при выборе системы (владения лицензией САПР-ТП, возможность лизинга, годовой подписки и пр.), хотя зависящая от предоставляемого набора функций и сервиса. 7. Сервис поставщика. Критерий является показателем сервиса, на который может рассчитывать заказчик в случае приобретения ПО. Название фирмы, размер команды разработчиков и службы технической поддержки, наличие представительской сети в районе нахождения предприятия-потребителя, планы выхода новых версий продукта, перечень и описание новых возможностей новой версии системы. Процесс внедрения САПР-ТП на предприятии, как правило, должен инициироваться инженерами-технологами и активно поддерживаться руководством отдела, департамента инжиниринга, службой ИТ и менеджментом предприятия.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

Процесс внедрения САПР-ТП является Проектом, часто в составе внедрения PDM/PLM систем, управление которым возлагается на руководителя департамента (главного инженера, технического директора). Руководитель Проекта должен обладать необходимыми для реализации проекта компетенциями, мотивацией, полномочиями и ресурсами для старта, реализации и дальнейшего завершения в заданный срок проекта внедрения. Для этого, приказом (или распоряжением) руководителя предприятия создается команда внедрения Проекта с указанием полномочий по группам команды. Многообразие и количество факторов, можно выразить в виде зависимости:



M = Ai , B j , Cn , Dm , El , Fo , G p , H q , K r



(1)

где Ai – факторы, учитывающие тип производства (единичное, мелко-серийное, средне-серийное, крупно-серийное, массовое); Bj – факторы, учитывающие вид производства, исходя из численности инженеров-технологов (малое, среднее, крупное); Cn – факторы, учитывающие функционал САПР-ТП; Dm – факторы, учитывающие удобство пользованием САПР-ТП; El – факторы, учитывающие соответствие стандартам (ГОСТ, ОСТ, МН, СТП и пр); Fo – факторы, учитывающие наличие специализированных приложений; Gp – факторы, учитывающие системные требования; Hq – факторы, учитывающие стоимость владения лицензией САПР-ТП; Kr – факторы, учитывающие сервис поставщика. Множество факторов, влияющих на выбор рациональной для данного машиностроительного предприятия САПР-ТП можно представить в виде матрицы:

A1 , A2 ... Ai −1 , Ai B1 , B2 ...B j −1 , B j C1 , C 2 ...C n−1 , C n D1 , D2 ...Dm−1 , Dm M = E1 , E 2 ...El −1 , E l F1 , F2 ...Fo−1 , Fo

(2)

G1 , G 2 ...G p −1 , G p H 1 , H 2 ...H q −1 , H q K1 , K 2 ...K r −1 , K r 5. Методика выбора рациональной САПР-ТП Для визуализации методики выбора рациональной САПР-ТП воспользуемся теорией графов. Граф выбора рациональной САПР-ТП приведен на рисунке 2. Для поиска рационального САПР-ТП воспользуемся алгоритмом Дейкстры [3], который позволяет найти кратчайшие пути от одной из вершин взвешенного ориентированного графа до всех остальных вершин этого графа. За основу принимаем граф, рис. 2, состоящий из 9 рядов элементов, включающих в себя до 11 элементов в ряду. Элементы соединены дугами, имеющими

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

направление и вес. В качестве веса каждого элемента задаемся числовым параметром (от 0 до 100) характеризующим влияние конкретного элемента в ряду на формирование суммарного критерия. Задачей использования этого алгоритма является отыскание маршрута с минимальным весом пути, за счет пошагового перебора всех вершин графа. A1

C10

C11

Рисунок 2. Граф выбора рациональной САПР-ТП Маршрут выбора САПР-ТП в условиях единичного производства, например, с малым количеством инженерно-технических работников, ограниченными оборотными средствами будет иметь следующий вид:

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

А1→В1→С1→D1→E4→F1→G1→H1→K1

(3)

Вес маршрута восстановления можно определить по формуле:  M = M Ai + M B j + M Cn + M Dm + M El + M Fo + M GP + M H q + M K r    (4)

Составляя несколько маршрутов выбора САПР-ТП и сравнивая вес маршрутов, можно определить рациональную конфигурацию САПР-ТП. При внедрении выбранного САПР-ТП для автоматизации технологической подготовки производства, необходимо понимание о необходимых изменениях в сложившейся организации работы инженерной службы. К изменениям процедур будут относится: • Выдача, согласование технической документации (в PDM/PLM системе появится история согласований с запросами и изменениями), изменений и хранения (завершённой и незавершённой) работы, позволяющие сократить от 10 до 50% времени на эти процедуры. • Обмен цифровыми данными между специалистами на этапе ТПП, поиска в архиве необходимой цифровой технической документации, что позволит сократить 30-90% времени на эти процедуры. • Создания Единого Информационного Пространства (ЕИП) для всех участников ТПП и далее, - Жизненного Цикла изделия (ЖЦИ). • Администрирование САПР, PDM/PLM систем, созданного на предприятии электронного архива, корпоративных баз данных. • Появление новых регламентов работы и Корпоративной культуры. Рисками внедрения комплекса средств автоматизации являются, рис. 3 :

Риски внедрения автоматизации технической подготовки производства

Эмоциональная нагрузка сотрудников на первоначальном этапе внедрения

Загруженность персонала, в связи с обучением и внедрением систем

Временное снижение производитель ности работ

Сопротивления части персонала

Рисунок 3. Риски бизнеса при внедрении САПР-ТП.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

1) Первоначальная завышенная эмоциональная нагрузка персонала в связи с наличием переходного периода внедрения системы, когда будут действовать и старые и новые регламенты работ, 2) Загрузка персонала, связанная с обучением и внедрением системы. 3) Временное снижение производительности работ в связи с выполнением пп.1 и 2. 4) Сопротивления некоторой части персонала, в связи с необходимостью ломки старых и перехода на новые регламенты работ, обучением и приобретением новых навыков работ (как правило, у некоторых пожилых ИТР). 6. Заключение В настоящее время большинство машиностроительных предприятий нуждается в САПР-ТП, существенно повышающих производительность труда инженерного корпуса. Для осуществления осознанного выбора САПР-ТП для разных категорий промышленных предприятий разработаны критерии выбора системы. Поиск рационального САПР-ТП предложено реализовать алгоритмом Дейкстры с использованием теории графов. Приведенная методика выбора рациональной САПРТП, алгоритм внедрения систем, позволит сократить сроки и оптимизировать затраты при диджитализации бизнес-процессов технической подготовки производства. Приведенный перечень организационных изменений в бизнес-процессе инженерного департамента промышленного предприятия позволит уменьшить производственные риски, связанные с внедрением цифровых технологий в бизнесе. ЛИТЕРАТУРА: 1. Горобец, И. А. Классификация и критерии выбора автоматизированных систем технической подготовки производства / И.А. Горобец, И. Н. Грищенко // Материалы пятнадцатой научно-практической конференции «Практика и перспективы развития партнерства в сфере высшей школы». В 3-х кн., Кн. 3. – Таганрог: Изд-во ЮФУ, 2014. – №14. – С. 47-53. 2. Горобец, И.А. Критерии выбора средств САПР технологической подготовки производства / И. А. Горобец. Н. В. Голубов, А. И. Мишенин // Машиностроение и техносфера ХХ1 века. Сб. трудов ХХV межд. конференции в г. Севастополе 10-16 сентября 2018г. – Донецк: ДонНТУ, 2018. – Том 1. – С. 99-102. 3. Томас, Х. Кормен. Алгоритмы: построение и анализ – Introduction to Algorithms., 2-е изд. / Томас Х. Кормен, Чарльз И. Лейзерсон, Рональд Л. Ривест, Клиффорд Штайн – М.: «Вильямс», 2006. – С. 1296. 4. Горобец, И. А. Методика внедрения систем автоматизации технической подготовки производства / И. А. Горобец, И. Н. Грищенко // Сборник трудов XXII международной научно-технической конференции в г. Севастополе 14-21 сентября 2015 г. В 2-х томах. – Донецк: МСМ, 2015. – Т. 1. – C. 68-72. Поступила в редколлегию 13.05.2019 г.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

УДК 62-529 И. А. Горобец, канд. техн. наук, проф. ГОУ ВПО Донецкий национальный технический университет, г. Донецк, ДНР Е-mail:gorobets.ascon@gmail,com ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРИТЕРИЯ ОПТИМИЗАЦИИ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТОКАРНЫХ СТАНКОВ С ЧПУ Приведено описание типов автоматизированных систем управления станков с ЧПУ. Определены входные и выходные параметры процессов резания для станков с ЧПУ. Дан анализ характера усилий резания при обработке деталей. Исследованы динамические параметры входных параметров. Определен случайный характер сил резания и критерий оптимизации системы управления станком с ЧПУ. Ключевые слова: параметр, характер, резание, усилие, припуск, функция, критерий, оптимизация. I. A. Gorobets DETERMINATION OF OPTIMIZATION CRITERIA FOR A MANAGEMENT SYSTEM CNC LATHES Description of types of automated control systems for CNC machines is given. Input and output parameters of cutting processes for CNC machines are defined. An analysis of the nature of the cutting forces in the processing of parts is given. The dynamic parameters of the input parameters are investigated. The random nature of the cutting forces and the criterion for optimizing the CNC machine control system are determined. Keywords: parameter, character, cutting, effort, allowance, function, criterion, optimization

1. Постановка проблемы Дальнейшее совершенствование машиностроительного производства связано с эффективным использованием металлообрабатывающих станков, в том числе и с числовым программным управлением (ЧПУ). Широкое использование современных станков с ЧПУ и станков типа «обрабатывающий центр», позволило повысить производительность обработки деталей на этих станках, снизить себестоимость их изготовления, повысить безопасность работ. Особенностью систем управления станков с ЧПУ при программировании режимов обработки является отсутствие учета особенностей обработки конкретных поверхностей детали. При этом, как правило, в программу закладываются режимы для наиболее тяжелых условий металлообработки. Кроме того, в системе управления станком не учитывается влияние непрерывно изменяющихся внешних воздействий и параметров системы привод-инструментзаготовка, определяющих в большей степени производительность и точность металлообработки. 2. Анализ состояния проблемы Стремление преодолеть недостатки станочного парка с ЧПУ привело к созданию систем адаптивного управления в станкостроении, которые позволяют повышать эффективность процесса обработки каждой детали благодаря использованию текущей информации о параметрах, определяющих условия и качество процесса резания. Анализ использования адаптивных систем предельного регулирования показал, что эти системы не обеспечивают оптимизации режима резания по общепринятым в металлообработке критериям, вследствие чего существенно недоиспользуются возможности станков с ЧПУ, что приводит к экономическим потерям. Потери производительности системы предельного регулирования зависят от типа линии ограничения, на которой она работает. Беспоисковые системы адаптивной системы оптимизации (АСО – adaptive control for optimisation) с аналитическим определением оптимального режима по © Горобец И.А.; 2019

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

критерию минимальных приведенных затрат описаны в работе [1] (для токарной обработки) и в работе [2] (для фрезерования). Скорость изнашивания инструмента здесь оценивается с помощью полиномиальных зависимостей Тейлора, связывающих стойкость с параметрами резания. В этих системах применены два контура регулирования, реализующие условия оптимальности. В первом контуре воздействием на параметр s (подача) поддерживается заданный вращающий момент на шпинделе, что обеспечивает, как и в адаптивной системе предельного регулирования, заданную деформацию СПИД. Во втором контуре поддерживается стойкость, обеспечивающая минимизацию критерия приведенных затрат. Аналогичная система разработана в Пизанском университете для фирмы «Olivetti» (Италия) [3]. В качестве критерия оптимизации принят критерий минимальной себестоимости. В системе используются датчики для измерения изгибающего и вращающего моментов, потребляемой мощности. Установленная связь между скоростью изнашивания инструмента и параметрами резания позволяет аналитически определить экспериментальную - точку на плоскости выходных переменных и поддерживать ее средствами автоматического управления. В целях упрощения алгоритма АСО разработчики системы пренебрегли стоимостью инструмента и свели работу системы к предельному регулированию (поддержанию условия постоянства момента и мощности или подачи). Упрощение задачи, связанное с исключением косвенного измерения износа и заменой его ограничением по мощности, привело к отказу от идеи оптимизации по экономическому критерию. В работе [4] описана система АСО, обеспечивающая максимум производительности при условии получения заданной шероховатости поверхности. Особенностью системы является использование внешнего компьютера, в базе данных которого хранятся данные о свойствах обрабатываемого материала, параметрах режущих инструментов, конструктивные и технологические ограничения и т. д. На основе этих данных осуществляется первичная оптимизация металлообработки. Система оптимизации по показаниям датчиков подачи, частоты вращения шпинделя, силы резания и вибрации, а также по результатам вычислений на внешней ЭВМ обеспечивает оптимизацию металлообработки в соответствии с изменяющимися условиями. Хотя применение АСО позволяет повысить на 30 – 50 % производительность металлообработки при черновых операциях фрезерования и точения, но такие системы не получили широкого применения в станкостроении [5]. В ряде исследований [2, 5] было установлено, что для обеспечения высокоточной оптимизации режима металлообработки параметрической самонастройки оказывается недостаточно во всем диапазоне возмущающих воздействий, возникающих, в частности, при изменении припуска или твердости материала заготовки. Поэтому, повышение требований к эффективности современного дорогостоящего металлообрабатывающего оборудования обусловило применение более современных адаптивных систем с самонастраивающейся структурой в случаях, когда самонастройка параметров управляющего устройства не может обеспечить выполнения условий оптимизации с заданной точностью. Такие системы называют самонастраивающимися многоструктурными системами. Их применение для оптимизации процесса металлообработки требует предварительного определения всего множества структур управляющего устройства и включения их в программное обеспечение. В результате идентификации в процессе металлообработки неконтролируемого параметра (припуска) и сопоставления его с

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

заданными граничными значениями включается та или иная структура управления; Эффективность оптимизации металлообработки существенно возрастает, особенно при черновых режимах. Решение задачи дальнейшего повышения эффективности токарных станков с ЧПУ связано с необходимостью выбора критерия, оптимизации, программной и аппаратурной реализацией системы автоматической оптимизации. Выбор критерия определяет стратегию оптимизации, которая в большинстве случаев связана с адаптивным управлением. Целью исследований является определение критерия оптимизации, способствующего повышению эффективности обработки деталей на токарных станках с ЧПУ. 3. Исследование характера входных параметров Процессы резания металлов характеризуются динамически изменяемыми силовыми параметрами резания, что оказывает влияние на дальнейший рост производительности, долговечности станков качества обрабатываемого поверхностного слоя материала, себестоимость изготовления продукции [6]. На процесс обработки заготовки оказывают влияние множество изменяющихся и неуправляемых факторов, зависящих от изменений формы, материала заготовки, режущего инструмента, параметров технологической системы и т.п. Более того, при реализации заготовительных операций на объект изготовления также воздействует множество факторов, влияющих на качество поверхностного слоя заготовки. Общее уравнение обрабатываемой поверхности в поперечном сечении можно представить в виде ряда Фурье [6]: 

y         an cos n  bn sin n  n 1

(1)

 ( ) – текущий действительный радиус заготовки как функция времени ( ) ;

где an, bn – числовые коэффициенты, характеризующие неровность поверхностей, пропорциональные углу поворота заготовки и ее длине; n – порядок неровности на рассматриваемом сечении профиля заготовки от какого-либо фактора, расположенный по степени убывания влияния каждого фактора на изменение глубины резания  – действительный радиус кривизны поверхности инструмента Δt (или припуска Z), заготовки. Предполагая, что возникновение вынужденных колебаний сил резания обусловлено изменениями величины припуска, и ограничиваясь первым членом ряда Фурье, получим: P( )  C p [ р0  P( ) cos(   )] , (2) где фазы.

P ( ) – амплитуда силы резания;  – частота изменения этой силы;  – сдвиг

Кроме влияния величины припуска на усилия резания при обработке поверхности детали, на амплитуду силы резания будет оказывать влияние и изменение поверхностной твердости заготовки в процессе резания:

P  C pS  t  HB H 1V m ( HB t  nt HB )

(3)

,  , H, m – показатели степени; НВ –твердость поверхности заготовки; S –

где подача инструмента; t – глубина резания; v – скорость резания; ΔНВ, Δt – изменение,

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

соответственно, твердости поверхности и глубины резания. Изменения твердости поверхности, как правило, не превышают 8...10% средней твердости заготовки и носят случайный характер. Плотность распределения вероятностей твердости близка к нормальному закону. Для определения характера величины общего припуска были проведены статистические исследования. Для проведения таких исследований были подобраны 2 типа деталей - «тел вращения»: вал-шестерня горного комбайна 4ПП-2М и седло клапана отопительного котла АОГВ [6]. По результатам статистической обработки полученных результатов был установлен случайный характер величины общего припуска заготовок. В результате случайного характера распределения общего припуска заготовки, можно предположить о случайном характере и сил резания. В результате исследования такого допущения, в ходе натурного эксперимента - был выявлен случайный характер усилий резания, рис. 1,2. Pz, Н 1500 1000 500

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 t, с Рисунок.1. Фрагмент реализации усилия резания заготовки на токарновинторезном станке 16К20.

Рисунок. 2. График спектральной плотности усилия резания. Из анализа графика спектральной плотности можно сделать вывод о наличии «белого шума» и детерминированных составляющих процесса, доля которых невелика. Таким образом, модель процесса резания при обработке заготовок на токарных станках с ЧПУ является динамической, а стандартный вид дифференциального уравнения математической модели процесса обработки заготовки в этом случае будет описывать динамическую систему со случайным возмущением. 4. Определение критерия оптимизации системы

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

Одним из влиятельных параметров станочного оборудования является производительность Q механической обработки при заданном качестве (точности, шероховатости, состояния поверхностного слоя и т.п.) и при минимальной себестоимости обрабатываемой детали. С этой целью необходимо решить задачу оптимизации процесса, в качестве критерия которого примем производительность Q механической обработки заготовки. Для определения параметров регулирования системы представим штучную производительность изготовления детали Q на операции ее механической обработки обратно пропорционально штучному времени, т.е. Q = 1/Тшт. Штучное время определим как сумму времени, зависящего от режимов обработки Тшт.р и организации производства Тшт.о. Время, зависящее от режимов обработки детали представим в виде суммы машинного времени Тм , времени на подналадку и смену инструмента Тни. Машинное время складывается из двух составляющих, основного времени То и времени холостого хода Тхх. То = L·i/n·S, (4) Тни = Тсм·То/Т, (5) где L – длина обрабатываемых поверхностей, i – число проходов, n-частота вращения шпинделя станка, S – подача инструмента, Тсм – время смены инструмента, Т – стойкость инструмента. Поскольку Тхх<<То, то Тшт.р  ( L·i/n·S)(1+Тсм/Т) (6) Учитывая известные зависимости [7] v= π·D·n/1000 (7) и v = Cv·Kv/Tm·tx·Sy, (8) где Cv,Kv,m,x,y,w – постоянные коэффициенты и показатели степени, t – глубина резания, S – подача, Т – стойкость инструмента, и выразив Тшт.р через стойкость инструмента Т, получим: Тшт.р = К1Тm +К1ТсмТm-1, (9) где К1 = (πDLitxSy)/1000CvKvS (10) Определим экстремум функции (6), продифференцировав по Т и приравняв нолю выражение. ∂Тшт.р/∂Т = К1mТm-1+ К1(m-1)ТсмТm-2= К1Тm-2(Тm + Тсм(m-1)) = 0 Тогда Т· = Тсм((1-m)/m), (11) · где Т - оптимальная величина стойкости инструмента. Подставив (11) в (6), получим Тшт.р= = ( L·i/n·S)(1/(1-m)). (12) Максимальную производительность изготовления детали можно получить при выполнении условия: Q = (n·S)/(L·i·(1/(1-m))+Тшт.о(n·S)-1). (13) Представив Тшт.о= К2Тшт, получим Q = (n·S·К3)/L, (14) где К3=(1-m)/i·К2 (15)

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

Но при t=const и L=const К3=const . Следовательно, при выполнении условия Q→Qmax необходимо выполнение условия: n→nмах (16) S→Sмах Таким образом, при проектировании автоматизированных систем управления металлорежущих станков, в качестве регулируемых параметров целесообразно использовать частоту вращения детали n, подачу инструмента S. Для реализации условия Q→Qmax необходимо выполнение условия выполняется условие: Рz  Рzmax (17) Рz  [Рz], где [Рz]- предельно допустимая сила резания Рz . Но

Pz  C p t x S yV w

, (18) где Cp,x,y,w – постоянный коэффициент и показатели степени, t – глубина резания, S – подача, V – скорость резания. 5. Заключение В настоящее время большинство машиностроительных предприятий использует станки с ЧПУ, существенно повышающие производительность и точность обработки. Показан и описан случайный характер возмущающего воздействия при обработке металлов точением. Приведено направление дальнейшего совершенствования станков с ЧПУ, путем учета динамического характера сил резания и использования оптимизации режимов обработки. Предложен критерий оптимизации для системы управления процессом обработки заготовок на токарном станке с ЧПУ. Приведено описание реализации выполнения критерия оптимизации системы. ЛИТЕРАТУРА: 1. Балакшин, Б. С. Теория и практика технологии машиностроения / Б. С. Балакшин. – М.: Машиностроение, 1982. – 239 с. 2. Usloy A., Principal Developments in the Adaptive control of machine tools / Usloy A., Koren J. // J. Of Dynamic system. – 1983. – Vol.105. – N2. – Р. 107-112. 3. Theory and Design of CNC Systems / Suk-Hwan Suh, Seong Kyoon Kang, DaeHyuk Chung, Ian Stroud.-Springer Verlag London Limited, 2008. – 454 р. 4. Boer, C. Adaptive control optimization for numerically controlled milling Process / Boer C., De Matherbe M. C., Venter R. // Proc. 18th Int. Mach. Tool Des. and Res. Conf. London, May 1977. – London: Wiley, 1978. – P. 665-671. 5. Нестеров, С. А. Адаптивные системы управления: Конспект лекций. – СПб.: Факультет технической кибернетики СПбГПУ, 2005. – 90 с. 6. Gorobez, I. Adaptronsysteme in der Werkzeugmaschine für die spannabhebende Formung / I Gorobez, N. Golubov Entwicklungsmethoden und Entwicklungsprozesse im Maschinenbau. 5 Magdeburger Maschinenbau-Tage. – Berlin: Logos-Verl, 2001. – Р. 45-51. 7. Оптимизация процесса механической обработки и управление режимными параметрами / С. В. Грубый. — Москва: Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2014. – 149 с. Поступила в редколлегию 10.04.2019 г.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

УДК 621.923 В. В. Гусев д-р техн. наук, проф., Д. А. Моисеев, соискатель Донецкий национальный технический университет, ДНР Тел. / Факс: +38 (062) 3010807; E-mail: mc@mech.dgtu.donetsk.ua ИЗНОС АЛМАЗНОГО ШЛИФОВАЛЬНОГО КРУГА ПРИ ОБРАБОТКЕ КЕРАМИКИ В статье приведен анализ удельного расхода алмаза при обработке ситалла. В работе приведена зависимость, позволяющая определить среднее сечение среза обрабатываемого материала на зерне для любой точки контакта заготовки с инструментом. При сечениях среза не превышающих критического значения удельный расход алмаза линейно зависит от производительности обработки и определяется преимущественно абразивным износом вершин алмазного зерне с последующим их усталостным разрушением. C увеличением интенсивности обработки керамики механизм разрушения зерен круга приводит к резкому росту удельного расхода алмаза за счет интенсификации разрушения алмазных зерен и вырыву их из связи. Необходимо при выборе режима обработки керамики учитывать величину средних сечений среза обрабатываемого материала на алмазном зерне, что позволит повысить эффективность шлифования. Ключевые слова: керамика, алмазный круг, износ шлифовального круга V. V. Gusev, D. A. Moiseev WEAR OF A DIAMOND GRINDING WHEEL WHEN MACHINING CERAMICS The article provides an analysis of the specific consumption of diamond in the processing of ceramicss. When sections of the cut are not exceeding the critical value, the specific consumption of diamond linearly depends on the processing performance and is determined mainly by abrasive wear of the tops of the diamond grain with their subsequent fatigue failure. With an increase in the intensity of processing of ceramics, the mechanism of destruction of grains of a circle leads to a sharp increase in the specific consumption of diamond due to the intensification of the destruction of diamond grains and to tear them out of the bond. Keywords: ceramics, diamond wheel, wear of diamond wheel

1. Введение. Алмазное шлифование является наиболее эффективным способом съема материала припуска в керамических заготовках вследствие их высокой твердости. Основными требованиями, предъявляемыми на стадии производства к этим деталям, является обеспечение требований по точности обработки и микрорельефу поверхностного слоя, которые определяются состоянием рабочей поверхности круга (РПК). Процессы, происходящие на РПК, оказывают влияние на качество поверхностного слоя и точность обрабатываемых изделий [1,2]. В процессе работы РПК претерпевает изменения вследствие износа алмазных зерен и связки круг, что происходит с разной интенсивностью [3,4]. На величину износа единичных алмазных зерен влияет совокупность различных факторов. По степени управляемости эти факторы можно разделить на такие категории: 1. Управляемые. К этой категории относятся факторы, на которые непосредственно влияет система управления процессом резания. К этой категории относятся режимы резания, состав СОТС и другие. 2. Условно-неуправляемые. К этой категории относятся факторы, на которые не распространяется воздействие системы управления процессом резания. К ним относятся состояние поверхностного слоя заготовки, характеристики алмазного инструмента и другие. Воздействие на эти параметры возможно вне пределов технологической системы. © Гусев В.В., Моисеев Д.А.; 2019

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

3. Случайные. Могут возникать в процессе работы. Сюда относятся вынужденные колебания технологической системы, характеристики окружающей среды и другое. Вышеперечисленные факторы суммарно оказывают влияние на величину срезаемого слоя заготовки алмазным зерном, на среднее сечение среза обрабатываемого материала, приходящееся на единичное зерно. При этом средние сечение среза является управляемой величиной за счет изменения режимов резания. Целью работы является исследование факторов, влияющих на среднее сечение среза обрабатываемого материала на алмазных зернах, и износ алмазного круга. 2. Основное содержание и результаты работы. При исследовании удельного расхода алмазного инструмента удобно, когда его износ по высоте круга равномерный этого можно добиться при применении плоского врезного шлифования с шириной образцов из ситалла АС-418 равных высоте кругаIAI 200x20x32 AI-315/250-4-M2-01.Микротвердость образцов из ситалла АС-418 составляла 8,5 ГПа. Удельный расход алмазов, определяемый методом линейного износа периферии круга, определяли согласно ГОСТ 16181-82.В качестве охлаждающей жидкости выбрана вода.Перед проведением каждого эксперимента производили правку круга электроэрозионным методом до восстановления его прямолинейности и постоянства исходного состояния РПК. Схема плоского врезного шлифования и ее параметры представлены на рисунке 1

Средние сечения обрабатываемого материала х 10-3 мм2 Рисунок 1. Схема плоского врезного шлифования периферией. круга. Зерна шлифовального круга начинают взаимодействовать с обрабатываемым 1– шлифовальный круг, 2 – заготовка материалом при значении угла =0 и продолжают за границей, определяемой характеристической линией шлифовального круга в пределах рельефного слоя (высотой микронеровностей Rz) до значения угла n, которое можно определить, пользуясь теоремой косинусов для схемы плоского шлифования. Для схемы плоского врезного шлифования (см. рис.1) текущая предельная глубина внедрения в обрабатываемый материал зерна, расположенного на глубине u рабочей поверхности и при угловом его положении i в зоне резания, определяется по зависимости

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

где

– текущее значение глубины резания. Для определения средних сечений среза обрабатываемого материала, приходящихся на единичное алмазное зерно, была использована методика предложенная в работе [5].При этом совокупность всех зерен на абразивной поверхности инструмента рассматривали как случайное поле. Рабочую поверхность круга принимали однородной в различных направлениях. Число зерен на единице рабочей поверхности круга nз принимали постоянным для всей ее глубины u от наиболее выступающего зерна до связки, для различных состояний РПК. Распределение же вершин зерен по высоте u рабочей поверхности круга является неравномерным и адекватно описывается плотностью распределения Вейбулла . При описании формы зерна в поперечном сечении исm m   , t   u  з , пользовали параболическую зависимость b з  Cb  u з  C  u  b  max  i j   где показатель степени .Изменяя коэффициент от14 до 23 можно учесть изменение формы зерна в процессе износа. Суммарная ширина зерен bi,i 1 , проходящих через боковое сечение dt элементарного объема заготовки (см. рис. 1), на участке траектории длиной, ограниченной углами i и i+1,определяется интегралом 



i 1 t  umax ( ,t ) j  jV   к n [   b з udu ]  cos   sin    R  t  t j d , (2) bi,i 1   , t   f u   з    i j   V 0 i  t  д  j где и соответственно линейные скорости круга и заготовки соответственно. Полученная величина bi,i+1(tj) характеризует векторное поле шлифовального круга, определяет его возможности по удалению материала припуска заготовки[6].Поток материала заготовки является векторной величиной, переменной во времени и в пространстве. Направление перемещения определяется однозначно вектором скорости для    каждой точки пространства Vд   д  r  t j ,  i  . Скалярная характеристика поля мате  риала определяется вероятностью неудаления материала P  , t  [6]  i j      b  i , t j     P  , t   exp   , (3) i j   L       где  b( , t ) - суммарная ширина всех единичных зерен, прошедших через базовый

i j

участок L на уровне радиальной координаты tj, отсчитываемой от поверхности заготовки, с угловым расположением сечения i. Суммарная площадь материала f , удаляемого зернами в радиальном сечении



заготовки, определяется суммированием сечений среза по всей глубине рабочей зоны. Для схемы плоского врезного шлифования umax ( ,t ) m j     , t   f u   C   u   cos  dud …(4) f t   P (  , t )  u    max     j



j

b 



Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

Наибольшие суммарные сечения среза материала припуска приходятся на начало рабочей зоны у поверхности заготовки. Затем они постепенно снижаются к обработанной поверхности. Среднее сечение среза на зерне f з определится для любой точки контакта по зависимости:

Используя полученную зависимость, можно определить среднее значение сечения среза обрабатываемого материала на зерне вдоль дуги контакта. Изменяя значения q, мг/см 3

Рисунок 2. Величина удельного расхода алмаза q в мг/см3 в зависимости от средних значений сечений среза на зерне круга IAI 200x20x32 AI315/250-4-M2-01 при обработке ситалла АС-418. скоростей заготовки и круга можно обеспечить съем припуска с различными средними сечениями среза на зерне вдоль дуги контакта круга с заготовкой. Это позволило провести исследование влияния среднего сечения среза обрабатываемого материала на алмазном зерне на удельный расход алмаза q (в мг/см3) при обработке ситалла АС-418. Результаты исследования приведены на рисунке 2. Аппроксимация экспериментальных значений, на рисунке показанных квадратиками, показала возможность их описать с помощью метода наименьших квадратов двумя сопряженными линиями. Прямолинейным участком при средних сечениях среза обрабатываемого материала на алмазном зерне менее 4х10-3мм2 и параболическим участком при больших значениях. Это свидетельствует о действие преимущественно разных механизмов разрушения алмазных зерен при обработке ситалла с различными значениями средних сечениях среза обрабатываемого материала на алмазном зерне. При небольших значениях средних сечениях среза обрабатываемого материала износ круга происходит в результате преимущественно абразивного износа вершина алмазном зерне с последующим их усталостным разрушением (рис. 3а). На микрофотографии отчетливо видны бороздки, появившиеся в результате такого механизма воздействия материала на разогретую поверхность площадок износа. На задней поверхности алмаза возникают значительные нормальные напряжения, которые вызывают растрескивание поверхностных слоев алмаза с образованием своеобразной мозаики. На поверхности зерна также виден износ с явно выраженными сколами части алмазного зерна. При увеличении средних сечениях среза обрабатываемого материала преимущественным меха-

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

низмом разрушения становится разрушение зерен сколом (рис. 3 б) или их вырыв из связки круга.

Рисунок 3. Алмазные зерна при шлифовании ситалла АС – 418 кругом 1А1 200х32х10х3 А 315/250 – 4 – М1: а) алмазное зерно с площадкой износа при увеличении х500 раз; б) алмазное зерно со сколотой вершиной при увеличении х200 раз.

3.Заключение. Таким образом, удельный расход алмазов при обработке керамики зависит от условия работы алмазных зерен при удалении материала припуска, которое прежде всего зависит от среднего сечения среза обрабатываемого материала, приходящееся на единичное зерно. При сечениях среза превышающих критическое значение механизм износа меняется от преимущественно абразивного износа вершин на алмазном зерне с последующим их усталостным разрушением к разрушению зерен сколом или их даже полному удалению из связки круга. Для уменьшения удельного расхода алмаза при обработке керамики необходимо выбирать режимы обработки таким образом, чтобы средние сечения среза обрабатываемого материала, приходящееся на единичное зерно не превышали критических значений. ЛИТЕРАТУРА: 1. Гусев, В. В. Влияние состояния алмазного круга на качество поверхностного слоя изделий из керамики / В. В.Гусев // Надійність інструменту та оптимізація технологічних систем. Збірник наукових праць. – Краматорськ: ДДМА. – 2002. – Вип. №12. – С. 234 – 241. 2. Ваксер, Д. Б. Алмазная обработка технической керамики / Д. Б. Ваксер, В. Д. Иванов, Н. В. Никитенков и др.. – Л.: Машиностроение, 1976. – 543 с. 3. Пташников, В. С. Физическая и нормативная твердость абразивных инструментов из высокотвердых и сверхтвердых материалов. Часть 1. Физическая твердость абразивных инструментов / В. С. Пташников // Сверхтвердые материалы. – 2004. – №4. – С. 75-88. 4. Гусев, В. В. Исследование механизма износа металлической связки алмазных кругов при обработке технической керамики / В. В. Гусев, Д. А. Моисеев // Вестник современных технологий. Сборник научных трудов. – Севастополь: ФГАОУ ВО «Севастопольский государственный университет», 2016. – №2(2). – С. 30-35. 5. Гусев, В. В. О распределении параметров срезов при глубинном круглом шлифовании периферией круга / В. В. Гусев // Резание и инструмент в технологических системах: Межд. научн.-техн. сборник. – Харьков: НТУ «ХПИ», 2003. – Вып.65.–С. 3746. 6. Новоселов, Ю. К. Динамика формообразования поверхностей при абразивной обработке: Монография / Ю. К. Новоселов. – Севастополь: СевНТУ, 2012. – 304 с. Поступила в редколлегию 12.05.2019 г.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

УДК 539.4 Т. Б. Дуйшеналиев, д-р физ.-мат. наук, проф., В. Е. Хроматов, канд. техн. наук, проф., В. Э Цой, канд. физ.-мат. наук, доц., В. Н. Щугорев, канд. техн. наук, доц. Национальный исследовательский университет "МЭИ", Москва, Россия Тел.: +7 916 498 6250; E-mail: duishenaliev@mail.ru; DuyshenaliyevT@mpei.ru УРАВНЕНИЕ, ОПРЕДЕЛЯЮЩЕЕ ПРЕДЕЛЬНЫЕ СОСТОЯНИЯ ХРУПКИХ МАТЕРИАЛОВ Предлагаемое в этой работе уравнение отличается тем, что его можно отнести к категории обоснованных, выведенных математически уравнений. Это уравнение, выражающее количественное соотношение между предельными величинами наименьшего и наибольшего главных напряжений, является весьма простым соотношением. Тем не менее, оно определяет все те напряженные состояния, которые приводят к разрушению материала. Используя это уравнение можно построить огибающую линию предельных кругов напряжений. Ключевые слова: предельные напряжения, сжатие, растяжение, напряженное состояние, разрушение, уравнение огибающей предельных кругов напряжений. T. B. Duishenaliev, V. E. Khromatov, V. E. Tsoi, V. N. Shugorev THE EQUATION DETERMINING LIMIT STATES OF BRITTLE MATERIALS The equation proposed in this paper differs in that it can be categorized as well grounded, mathematically derived equations. This equation, which expresses the quantitative ratio between the limiting values of the smallest and the greatest principal stresses, is a very simple relation. Nevertheless, it determines all those stress conditions that lead to the destruction of a material. Using this equation it is possible to construct an envelope line of stress limit circles. Keywords: critical stresses, compression, tension, stress state, destruction, equation of the envelope of stress limit circles. 1. Введение Любое напряженное состояние можно изобразить на плоскости нормального и касательного напряжений. Это обстоятельство сыграло весьма позитивную роль, ибо поиск закономерности на плоскости несравнимо проще, чем в пространстве. Если любое напряженное состояние можно изобразить на плоскости, то на ней можно изобразить и те напряженные состояния, при которых разрушается исследуемый материал. О. Мор [2] выдвинул гипотезу о том, что наибольшие круги разрушающих напряженных состояний образуют семейство, огибаемое одной линией. Эта линия получила название огибающей линии предельных кругов напряжений. Таким образом, предположение о наличии огибающей наибольших кругов разрушающих напряженных состояний является основным утверждением теории прочности Мора. В качестве количественного выражения теории прочности Мора предлагается много соотношений, выдвинутых на основе различных соображений. Зачастую вначале задаются типом зависимости, а затем определяются константы [5,6]. Все эти зависимости удовлетворительно описывают опытные данные вблизи тех напряженных состоя© Дуйшеналиев Т.Б., Хроматов В.Е., Цой В.Э., Щугорев В.Н.; 2019

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

ний, которые использовались при определении констант. С удалением от этих напряженных состояний несоответствия все более и более возрастают [2]. 2. Уравнение огибающей линии предельных кругов Мора в параметрической форме Обозначим главные напряжения через , считая сжимающие напряжения как положительные. Уравнение предельных кругов имеет вид [1,2]: .

(1)

Для того чтобы семейство кругов (1) имело общую огибающую линию, оно должно определяться одним параметром. В качестве параметра выберем одно из главных напряжений, например, . Для наличия огибающей линии предельных кругов напряжений необходимо, чтобы частная производная уравнения (1) по выбранному параметру была равна нулю: . Отсюда находим: (2) Подставим (2) в уравнение (1): (3) Выражения (2), (3) представляют собой уравнение огибающей предельных кругов Мора в параметрической форме. 3. Функция, служащая параметром в уравнении огибающей линии предельных кругов Мора Допустим, что из уравнений (2) и (3) удалось исключить параметр 1 , а также, определяемые этим параметром, функции . Это привело бы к явному уравнению огибающей линии: . (4) Подставим (4) в уравнение (1): (5) Теперь на выражение (5) можно смотреть как на уравнение между главными напряжениями , которое содержит параметр . Задавая этому параметру разные значения, получим кривую на плоскости , т.е.: ,

(6)

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

(7) Допустим, величины констант a, b для данного материала известны. В этом случае, задаваясь величинами в пределах и, вычисляя соответствующие им величины , можно определить все предельные напряженные состояния. Можно построить и огибающую линию по следующим уравнениям:

где

Это уравнение отличается от всех ранее предложенных видов [4,5,6] тем, что оно является математически выведенным. 4. Определение констант по величинам главных напряжений любых двух напряженных состояний трехосного сжатия В уравнение огибающей линии (8) механическое свойство материала входит в виде констант a, b. Эти константы можно определить через величины главных напряжений любых двух предельных состояний. Обозначим величины главных напряжений одного из этих состояний: , а другого: . Подставляя эти величины в (7), получим два уравнения для определения двух констант. Решая их, находим:

(9)

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

Введем в уравнения (8) эти величины констант:

, где:

.(10) 5. Определение констант по величинам предела прочности материала на осевое сжатие и главных напряжений какого-либо другого предельного напряженного состояния Зачастую экспериментаторы ограничиваются проведением испытаний материалов только в камерах трехосного сжатия. В таких камерах образцы материалов можно довести до разрушения при осевом сжатии без бокового давления (осевое сжатие) и при осевом сжатии с приложением к боковой поверхности образца различных величин гидростатического давления. Этими испытаниями определяется предел прочности на осевое сжатие , а также ряд величин главных напряжений, при которых образец разрушается. Для таких испытаний величины констант a, b необходимо выразить через величины предела прочности на осевое сжатие и через величины какой-либо пары главных напряжений. Пусть, в уравнении (10) в качестве главных напряжений , , взяты главные напряжения осевого сжатия: , где ния (10):

- предел прочности материала при осевом сжатии. Введем это в уравне-

, где:

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

(11)

6. Выражение констант уравнения огибающей линии через пределы прочности материала на осевое растяжение и на осевое сжатие Самыми распространенными механическими характеристиками конструкционных материалов являются пределы их прочности на осевое сжатие и на осевое растяжение, которые обозначим соответственно и . Подставим в уравнения (11) главные напряжения при осевом растяжении: . При этом получим уравнение огибающей линии предельных кругов напряжений, выраженное через пределы прочности материала на осевое сжатие и на осевое растяжение:

(12)

где:

. В уравнение огибающей линии (12) механическое свойство материала входит в виде пределов прочности материала на осевое сжатие и на осевое растяжение. Если величины этих пределов установлены, то уравнение (12) определяет все те напряженные состояния, которые приводят к разрушению данный материал. 7. Определение предела прочности на осевое растяжение В камерах трехосного сжатия образцы материала доводятся до разрушения при различных величинах бокового (наименьшего ) и осевого (наибольшего ) главных напряжений. В таких испытаниях сначала определяется и величина предела прочности на осевое сжатие. В этом случае к боковой поверхности образца не прикладывается давление. В таких испытаниях предел прочности на осевое растяжение остается не определенным. Можно ли вычислить величину предела прочности из данных таких опытов? Главные напряжения для осевого растяжения:

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

, где - предел прочности на осевое растяжение. Подставим это в третье из уравнений (11):

(13) Здесь получено уравнение для теоретического определения предела прочности материала по данным его испытаний в камерах трехосного сжатия. 8. Экспериментальная состоятельность выведенного уравнения (8) Для различия, опытные величины главных напряжений далее будем соответственно обозначать . Опытные данные обычно даются в виде следующих векторов: ,

(14) ,

(15)

где

- определенная опытами величина предела прочности на осевое сжатие, а - опытные величины предельных главных напряжений . В какой мере выведенное уравнение (7) описывает опытные данные (14)? Проверить это просто. Надо вычислить величины из уравнения (7), последовательно подставляя в него те величины , которые равны элементам вектора . При этом мы получаем расчетные величины . Если эти величины совпадают или незначительно отличаются от соответствующих элементов вектора , то уравнение (7) хорошо описывает действительное поведение материала. В этом случае оно оправдывает свое строгое математическое обоснование. Выше приведены несколько методов вычисления расчетных величин . Эти вычисления можно проводить, используя: 1. уравнение (7), предварительно определив константы из уравнений (9); 2. третье из уравнений (10); 3. третье из уравнений (11); 4. третье из уравнений (12), если пределы прочности материала на осевое сжатие и растяжение установлены экспериментально, т.е. опытные данные имеют вид: , .

(16) (17)

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

Результаты вычислений по этим методам должны совпадать или иметь незначительные отклонения, обусловленные дисперсией опытных данных. Для примера здесь приведем сравнения по первому из этих методов. Все вычисления осуществлены на ЭВМ на основе компьютерных программ в системе MathCAD [2]. Рассмотрим результаты опытов Кармана [2,4] над каррарским мрамором (здесь и 2 далее напряжения даны в кг / cм ):

, .

(18) (19)

Определим константы из уравнений (9), подставив в него напряжения осевого сжатия и какого-либо одного из напряженных состояний (18): a = 3043 кг/см2, b =

18560 кг/см2.

Введем эти значения констант в уравнение (7):

Это уравнение определяет все семейство предельных состояний для каррарского мрамора при . Внесем в это уравнение следующие величины предельного напряжения: При подстановке этих величин в предыдущее уравнение получаем следующие расчетные величины наименьшего главного напряжения:

Эти величины почти совпадают с опытными величинами (19), что наглядно видно на рис. 1:

Рисунок 1. График уравнения (7) (левый рисунок), график уравнения (7) и опытные точки (правый рисунок) для каррарского мрамора [4].

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

Далее построим огибающую линию по уравнениям (8) при определенных выше величинах констант a , b и нанесем туда опытные предельные круги напряжений (рис. 2).

Рисунок 2. График уравнения (10) (левый рисунок), график уравнения (10) и опытные предельные круги напряжений (правый рисунок) для каррарского мрамора [4]. Из этого рис. 2 видно, как теоретическая кривая, показанная на левом рисунке, почти идеально огибает опытные предельные круги напряжений (правый рисунок). ЛИТЕРАТУРА: 1. Дуйшеналиев, Т. Б. Количественное описание теории прочности Мора [Текст] / Т.Б. Дуйшеналиев // Известия Национальной академии наук КР. – №4 . – 2012. – С. 4750. 2. Дуйшеналиев, Т. Б. Неклассические решения механики деформируемого тела [Текст] / Т. Б.Дуйшеналиев. – М.: Издательство МЭИ, 2017. – 400 с. ISBN 978-5-70461840-9. 3. Дуйшеналиев, Т. Б. Уточненные соотношения критерия хрупкого разрушения Мора [Текст] / Т.Б.Дуйшеналиев, В.Е.Хроматов // Материалы XXIV Международного симпозиума «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» им. А.Г.Горшкова. – М.: Издательство МАИ (НИУ), 2018. – С. 90-91. 4. Карман, Т. Опыты на всестороннее сжатие [Текст] / Т. Карман // Новые идеи в технике. Сб. статей. – 1915. – №1. – С. 51-102. 5. Койфман, М. И. и др. Прочность горных пород в объемном напряженном состоянии [Текст] / М. И. Койфман и др. – М.: Наука, 1964. – 134 с. 6. Ставрогин, А. Н. О предельных состояниях и деформации горных пород [Текст] / А. Н.Ставрогин // Горное давление. Сб. ВНИМИ. – Л., 1965. – № 59. – С. 33– 62. Поступила в редколлегию 15.05.2019 г.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

УДК 621.9: 658.5 Т. Г. Ивченко, канд. техн. наук, доцент Донецкий национальный технический университет Тел./Факс: +38 (062) 3050104;E-mail: E-mail: tm@mech.dgtu.donetsk.ua АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТЕЙ РОСТА ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ТОЧЕНИЯ С ОБЕСПЕЧЕНИЕМ ЗАДАННОГО УРОВНЯ БЕЗОТКАЗНОСТИ ИНСТРУМЕНТА Представлены результаты оценки возможностей роста производительности точения при заданном уровне безотказности режущего инструмента Рассмотрен закон Вейбулла распределния стойкости режущего инструмента как случайной величины. Основными показателями безотказности являются средний период стойкости и период стойкости с заданной вероятностью. Установлены необходимые для обеспечения заданного уровня безотказности коэфициенты изменения режимов резания и производительности. Ключевые слова: режущий инструмент, стойкость, коэффициент вариации, производительност, безотказность. T. G. Ivchenko ANALYSIS OF POSSIBILITIES OF THE TURNING PRODUCTIVITY RISE WITH PROVIDING OF THE SET LEVEL OF RELIABILITY There are presented the results of the estimation of the possibilities of the turning productivity rise at the set level of cutting tool reliability. It is considered the Veybulla distributing law of the cutting tool life as casual value. The basic reliability measures are mean period of the cutting tool life and period of the cutting tool life with the set probability. There are set the necessary for providing of the set level of reliability the coefficient of the cutting regimes and productivity change. Keyword: cutting tool, cutting tool life, coefficient of variation, productivity, reliability.

1. Введение Обеспечение требуемого уровня надежности функционирования режущего инструмента является актуальной задачей повышения эффективности технологических систем, что особенно важно в современном автоматизированном производстве. В настоящее время достаточно обоснованы представления о стойкости режущего инструмента как случайной величины и предложены не только методы экспериментального определения параметров законов ее распределения, но и методы их теоретического прогнозирования [1, 2]. Предложена так же методика учета закона распределения стойкости при оптимизации режимов резания как по критерию максимальной производительности [3], так и по критерию минимальной себестоимости [4]. В современном производстве значительное внимание уделяется вопросам повышения производительности обработки. Разработаны количественные методы оценки эффективности различных мероприятий по повышению производительности [5]. Рассмотрены вопросы обеспечения гарантированного уровня безотказности режущего инструмента при оптимизации режимов резания [6]. Однако закономерности изменения производительности обработки в связи с требованиями обеспечения требуемого уровня надежности практически не рассматриваются и требуют дальнейшего развития. Цель работы – разработка методики расчета производительности обработки с учетом закона распределения стойкости как случайной величины с обеспечением © Ивченко Т.Г.; 2019

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

заданного уровня безотказности режущего инструмента. 2. Основное содержание и результаты работы Наиболее распространенные способы повышения производительности механической обработки за счет различных мероприятий, например совершенствования режущего инструмента или применения смазочно-охлаждающих технологических сред, основаны, прежде всего, на повышении стойкости режущего инструмента и возможности интенсификации за счет этого режимов резания. Коэффициент повышения производительности в таком случае может быть определен следующим образом [5]: K P  KT   KTm ,

(1)

где KT– коэффициент повышения стойкости режущего инструмента T; m – показатель относительной стойкости. Такой коэффициент справедлив в случае, если стойкость режущего инструмента рассматривается как детерминированная величина. Однако, согласно современным представлениям, в условиях существенного рассеивания параметров процесса резания в реальных технологических системах, стойкость режущего инструмента является случайной величиной. Приближенная аппроксимация случайных моделей детерминированными и замена случайных параметров их средними значениями вносит существенные погрешности в расчеты, например, оптимальных режимов резания, производительности, себестоимости [6]. В настоящей работе рассмотрен закон Вейбулла распределения стойкости режущего инструмента как случайной величины. В качестве основных показателей безотказности режущего инструмента рассматриваются средний период стойкости TC и гамма - процентный период стойкости T - время резания, в течение которого инструмент с заданной вероятностью , выраженной в процентах, не достигает отказа [2]:



TC a1 1 b  ; T a   ln 100 1 b ;  100 exp  T TC 1  1 b  b







(2)

где a, b - параметры масштаба и формы закона распределения Вейбулла - Гнеденко; 1 1 b  - гамма-функция. Коэффициентом вариации стойкости VT:





VT  1  2 b    2 1  1 b  1  1 b  ; b( VT ) exp  1,09 ln VT  .

(3)

Коэффициент, характеризующий соотношение гамма - процентного периода стойкости режущего инструмента T со средним периодом стойкости ТС: K  T TC   ln 100  1 b ( 1  1 b ) .

(4)

В представляемой работе оценка производительности осуществляется на основании критерия оптимизации, для которого целевая функции, выражающая

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

зависимость критерия KP от параметра оптимизации T имеет вид:



K P T   aT m  atcT m  1

 1 ,

(5)

где a DLt x v S y v  1 1000CV KV – постоянный коэффициент; D- диаметр обрабатываемой поверхности; L – длина обработки; V – скорость резания; S – подача; CV, KV – коэффициенты и xv, yv, m – показатели, которые характеризуют степень влияния глубины tг, подачи S и стойкости T на скорость резания V, определяемые в зависимости от условий эксплуатации. При рассмотрении стойкости режущего инструмента как случайной величины необходимо и целевую функцию рассматривать как функцию случайного аргумента [3] с математическим ожиданием:



M P T  a T m  tcT m  1

1





a 2 m m 1  1 T  t T VT T 2 . c 2 2 T



 

(6)

Закономерности изменения математического ожидания целевой функции K(T) в зависимости от периода стойкости инструмента T целесообразно рассматривать на основании относительной функции MoP = MP/KP(T).Графики двухпараметрической зависимости математического ожидания целевой функции MoP от периода стойкости инструмента T и коэффициента вариации VT представлены на рис. 1. График свидетельствует об экстремальном характере зависимости целевой функции производительности MoP от параметра оптимизации - периода стойкости T, однако с увеличением коэффициента вариации стойкости VT оптимальный период стойкости возрастает (TоР1 > ToP), а производительность снижается (МоР < 1). При этом изменяется не только величина целевой функции, но и оптимальное значение случайного аргумента. Оптимальный период стойкости с учетом случайного характера ее распределения по критерию производительности ТоР [3]: ToP VT   P VT 1 m  1 t ñ , (7). Рисунок 1. Графики зависимости математического ожидания где μP(VТ) - поправочный коэффициент на целевой функции МоР от периода оптимальный период стойкости по критерию стойкости инструмента T и производительности, учитывающий случайный коэффициента ее вариации VT характер распределения стойкости и коэффициент ее вариации VТ: 0 ,9VT  0 ,3 .  P VT  e Для обеспечения заданного уровня безотказности режущего инструмента (стойкости с заданной вероятностью , или гамма - процентного периода стойкости режущего инструмента), при определении оптимального периода стойкости необходимо учесть поправочный коэффициент K:

 

 



Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

ToP VT  To P VT  K  VT  . (8) Закономерности изменения поправочного коэффициента K в зависимости от коэффициента вариации стойкости VT представлены на рис. 2. Коэффициенты K представлены для различных значений гамма – процента:  = 95% (K95);  = 90% (K90);  = 80% (K80);  = 60% (K60). С увеличением коэффициента вариации стойкости VT поправочный коэффициент K существенно снижается, причем тем сильнее, чем выше требуемый уровень безотказности (гамма-процент). Следовательно, оптимальный период стойкости существенно возрастает, что может быть достигнуто за счет снижения Рисунок 2. Графики зависимости скорости резания и потери производительности. поправочного коэффициента K от Коэффициент снижения коэффициента вариации стойкости производительности с учетом коэффициента режущего инструмента VT вариации стойкости и необходимости обеспечения заданного уровня безотказности (гамма – процента) может быть рассчитан следующим образом: . (9) K P VT    P VT    m K VT  m На рис. 3 представлены графики указанных поправочных коэффициентов на производительность КРγ в зависимости от коэффициента вариации стойкости инструмента VТ для различных значений гамма – процента (заданного уровня безотказности). Чем больше коэффициента вариации стойкости VT и выше требуемый уровень безотказности, тем ниже производительность. В общем случае, коэффициент изменения Рисунок 3. Графики зависимости производительности, учитывающий как поправочного коэффициента на коэффициент возможного повышения производительность КР от стойкости режущего инструмента KT коэффициента вариации стойкости вследствие различных мероприятий, так и инструмента VT поправочные коэффициенты, учитывающие случайный характер распределения стойкости μP(VT), а так же необходимое для обеспечения заданного уровня безотказности режущего инструмента снижение производительности KPγ(VT): (10) K V   K m   V    m K V  m .







Графики зависимости указанного общего поправочного коэффициента на производительность КР(VT) в зависимости от коэффициента вариации стойкости инструмента VT для различных значений гамма – процента γ и коэффициента повышения стойкости KT представлены на рис.4.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

При анализе возможностей повышения производительности за счет повышения стойкости без учета ее случайного характера (VT = 0) рассчитываются максимально возможные значения коэффициентов повышения производительности КР = 1,15 (KT = 2); КР = 1,25 (KT = 3); КР = 1,15 (KT = 4). С увеличением коэффициента вариации стойкости VT поправочный коэффициент КР существенно снижается, причем тем сильнее, чем выше требуемый уровень безотказности режущего инструмента (гамма-процент). В случае, когда VT = 1, гамма-процент γ = 95%, двухrратный рост стойкости режущего инструмента не приведет к повышению производительности. Выводы. Разработана методика расчета производительности обработки с учетом закона распределения стойкости инструмента как случайной величины с обеспечением заданного Рисунок 4. Графики зависимости гарантированного уровня безотказности общего поправочного режущего инструмента. Установлены коэффициента на коэффициенты изменения производительности производительность КР(VT) от для различных коэффициентов вариации коэффициента вариации стойкости инструмента и заданного уровня стойкости инструмента VT безотказности режущего инструмента. ЛИТЕРАТУРА: 1. Старков, В. К. Физика и оптимизация резания материалов / В. К. Старков. – М.: Машиностроение, 2009. - 640с. 2. Ивченко, Т. Г. Прогнозирование параметров закона распределения стойкости режущего инструмента как случайной величины / Т. Г. Ивченко // Прогрессивные технологии и системы машиностроения. – Донецк: ДонНТУ. - 2016. - № 3(54). - С. 4954. 3. Ивченко, Т. Г. Оптимизация режимов резания с учетом случайного характера стойкости режущего инструмента / Т. Г. Ивченко // Прогрессивные технологии и системы машиностроения. – Донецк: ДонНТУ. - 2017. - №4 (59). – С. 24-30. 4. Михайлов, А. Н. Учет случайного характера стойкости режущего инструмента при оптимизации режимов резания по критерию себестоимости / А. Н. Михайлов, Т. Г. Ивченко, И. А. Петряева // Наукоемкие технологии в машиностроении: ежемесячный научно-технический и производственный журнал. – М: Машиностроение. – 2018. – № 3(69). - С 3-9. 5. Ивченко, Т. Г. Оценка возможностей повышения эффективности обработки при использовании СОТС / Т. Г. Ивченко // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: – Донецк: ДонНТУ. - 2018. - №. 1 (60). – С. 37-43. 6. Ивченко, Т. Г. Обеспечение гарантированного уровня безотказности режущего инструмента при оптимизации режимов резания / Т.Г. Ивченко // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: – Донецк: ДонНТУ. - 2019. - № 1 (64). – С. 2328. Поступила в редколлегию 11.05.2019 г.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

УДК 621 А. В. Костенко, канд. техн. наук, 2А. Н. Михайлов, д-р. техн. наук, проф., 2 А. В. Лукичев, канд. техн. наук 1 Камчатский государственный технический университет, Россия, г. ПетропавловскКамчатский 2 Донецкий национальный технический университет, ДНР E-mail: andr13kost@list.ru, mntk21@mail.ru, a_lukichov@mail.ru 1

АЛГОРИТМ СИНТЕЗА ФУНКЦИОНАЛЬНО-ОРИЕНТИРОВАННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ В статье представлен алгоритм синтеза функционально-ориентированных технологических процессов, который позволяет системно разрабатывать эти процессы на любой известный уровень глубины технологий. Этот алгоритм особенно важен для проектирования функциональноориентированных технологических воздействий для деталей судовых дизелей. Также приведены схемы проектирования технологических процессов и средств технологического обеспечения с учетом различных уровней проектирования. Отражена рекуррентная структура разных этапов предложенного алгоритма. Ключевые слова: дизель судовой, функционально-ориентированный технологический процесс, отделочно-упрочняющая обработка, структура, алгоритм. A. V. Kostenko, A. N. Mikhailov, A. V. Lukichov ALGORITHM FOR SYNTHESIS OF FUNCTIONALLY ORIENTED TECHNOLOGICAL PROCESS OF MANUFACTURING OF SHIP DIESEL DETAILS The article presents an algorithm for the synthesis of function-oriented technological processes. The algorithm allows to develop technological processes at any known level of technology depth. This algorithm is especially important for the design of functional-oriented technological impacts for parts of marine diesel engines. Schemes for designing technological processes and means of technological support for various levels of design are also given. The recurrent structure of the various stages of the algorithm is shown. Keywords: ship diesel, function-oriented technological process, finishing and hardening treatment, structure, algorithm.

Введение. При изготовлении деталей судовых дизелей используется широкий спектр различных методов отделочно-упрочняющей обработки (ОУО), которые позволяют реализовывать требуемые эксплуатационные свойства деталей и их функциональных элементов (ФЭ). Важной и актуальной является задача проектирования технологических процессов, включающих в себя методы ОУО, реализуемых на базе функционально-ориентированных технологий (ФОТ). Процесс проектирования должен быть объединен общей моделью системы технологических преобразований и реализовываться по двум направлениям [1]: синтез типа «технологический процесс», содержащий схемы технологического воздействия (ТВ), операции, собственно технологический процесс (ТП); синтез типа «технологическая система», содержащей блоки технологического воздействия, технологические подсистемы для реализации операций, технологические системы для реализации всего ТП. Кроме этого, проектирование ТП на базе ФОТ должна осуществляться с позиций системного подхода и иметь возможность применения методов автоматизированного проектирования. Создание общего алгоритма синтеза функциональноориентированного технологического процесса (ФОТП) позволяет упорядочить процесс © Костенко А.В., Михайлов А.Н., Лукичев А.В.; 2019

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

проектирования, формализовать его и, таким образом, сделать удобным как для анализа, так и для синтеза его составляющих. Отметим, при этом, что использование ФОТП целесообразно для тяжелонагруженных деталей судовых дизелей, требующих реализации в своей конструкции различных эксплуатационных свойств. Целью статьи является описание алгоритма создания ТП изготовления деталей судовых дизелей на основе ФОТ. Основная часть. При создании алгоритма использовались результаты исследований, приведенных в работах [2-5], в которых были рассмотрены следующие вопросы, необходимые для построения алгоритма: особенности классификации и представления деталей в функционально-ориентированной технологии машиностроения, особенности структуры функционально-ориентированной отделочно-упрочняющей обработки деталей судовых агрегатов, применение функционально-ориентированных технологий при производстве судовых двигателей внутреннего сгорания, особенности синтеза технологических процессов отделочно-упрочняющей обработки методом графов. Отдельно следует отметить работу [1], в которой были изложены основные положения ФОТ. Используя результаты приведенных работ, был разработан алгоритм синтеза ФОТП изготовления деталей, представленный на рис. 1. Исходными данными для синтеза ТП являются начальные и граничные условия, должны быть приведены данные о детали: его технико-экономических параметрах, надежности, точности, требованиях, служебном назначении и другая информация. На втором этапе, в соответствии с особенностью ФОТ, проводится анализ эксплуатационных свойств детали, способах выражения этих свойств соответствующими параметрами качества. Здесь же анализируются условия эксплуатации, выявляется структура действия на деталь эксплуатационных функций (ЭФ). Причем, описанные действия выполняются параллельно, в тесной взаимосвязи между собой, что и указано в алгоритме в виде штриховых стрелок. Кроме этого, на данном этапе используются данные базы 1 с набором известных свойств ФЭ. Результатом проделанной на предыдущем этапе работы является деление детали на ФЭ по уровням глубины технологии: выявляется количество уровней (вводится в алгоритм на следующем этапе), определяется количество ФЭ на каждом уровне (также будет вводиться в алгоритм на последующих этапах). На рис. 1, в качестве примера, представлен алгоритм для четырех уровней глубины технологии: уровень 1 – всей детали, уровень 2 – участков, уровень 3 – составляющих, уровень 4 – зон. Попутно заметим, что при необходимости можно дополнить алгоритм еще тремя уровнями глубины технологии – макрозон, микрозон и нанозон. Такое многоуровневое деление особенно важно для ряда тяжелонагруженных деталей судовых дизелей: выпускных клапанов, седел клапанов, цилиндровой втулки, поршня, прецизионных пар топливного насоса высокого давления, деталей турбокомпрессора и других. После введения количества уровней глубины технологии, переменной Z присваивается единица и, в зависимости от того, на каких уровнях глубины технологии будет проектироваться ТП, осуществляется порядок реализации алгоритма. Если ТП проектируется только для уровня всей детали (Z = 1), то далее осуществляется линейно построенный алгоритм: выбор необходимого метода ОУО с использованием базы 2, содержащей существующие и новые принципы, методы и способы технологических преобразований. Далее выбирается схема ТВ с использованием базы 3, содержащей схемы реализации ТВ.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

После этого осуществляется реализация группы особых принципов ориентации ТВ и свойств детали. Из восьми принципов ориентации ТВ и свойств могут быть использованы все принципы или только часть из них [6].

Рисунок 1. Алгоритм синтеза ФОТП Затем производится формирование функционально-ориентированной операции (ФОО) для элемента, которым в данном случае является сама деталь. На следующем этапе выполняется выбор из существующих или, при необходимости, проектирование новых средств технологического оснащения (СТО). В заключение этой ветви алгоритма осуществляется составление маршрута ФОТП для изготовления всей детали. Если количество уровней глубины технологии больше единицы, то реализация алгоритма осуществляется по соответствующей ветви. Рассмотрим на примере Z=2 – уровень глубины – «участок детали». Вначале необходимо задать количество участков, что определяется после комплексного анализа детали на этапе ее деления по уровням глубины технологии. После

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

этого реализуется цикл типа «ПОКА» – происходит последовательный перебор участков, для каждого из которых выполняется основное тело цикла, реализующего последовательность, описанную выше для Z = 1, начиная с выбора метода ОУО до составления маршрута ФОТП. Однако, следует отметить, что в этом случае действия выполняются для участков детали. Поэтому после выполнения последовательности для всех участков осуществляется переход в другую ветвь алгоритма, в которой происходит синтез методов ОУО, схем ТВ, структуры ФОО и СТО, а также маршрута ФОТП для всей детали, с учетом ее ФЭ, т.е. комплексный, объединяющий подход ко всем участкам, с учетом как их сходных свойств, так и различий. Аналогично происходит реализация предлагаемого алгоритма для третьего уровня (Z = 3) и четвертого уровня (Z = 4) глубины технологии – составляющих и зон детали. Реализуемые в результате прохождения по соответствующим циклам алгоритма этапы повторяют описанные выше для участков, однако, уже для соответствующих ФЭ. После реализации необходимых циклов также осуществляется переход на заключительную ветвь синтеза структуры для всей детали. Таким образом, процесс проектирования ФОТП выполняется в 3 этапа (рис. 2): 1) анализ действия ЭФ на деталь; 2) деление детали на ФЭ, определение соответствия действия ЭФ и ФЭ; 3) на базе схем ТВ, операций и группы особых принципов формируется структура ФОТП.

Рисунок 2. Схема процесса проектирования ФОТП Отметим на рис. 2 наличие замкнутой рекуррентной структуры с итерационной последовательностью. Это позволяет в процессе разработки ФОТП осуществлять возврат на предыдущий этап для внесения изменений. После возврата на предыдущий этап и внесения необходимых изменений с целью получения параметров процесса, удовлетворяющим заданным требованиям, повторяются действия по проектированию ФОТП. Кроме этого, в рамках каждого блока алгоритма (см. рис. 1) может быть реализована своя повторяющаяся последовательность. Рассмотрим это на примере проектирования СТО (рис. 3).

Рисунок 3. Средства технологического обеспечения

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

Особенности проектирования СТО для ФОТП определяются особенностями технологического объекта. Этап проектирования СТО, показанный на рис. 1, состоит из уровней проектирования, представленных на рис. 4.

Рисунок 4. Уровни этапа проектирования СТО Аналогично, на рис. 5, можно представить процесс проектирования – синтез типа «технологический процесс», являющегося, также, частью алгоритма, представленного на рис. 1.

Рисунок 5. Процесс проектирования типа «технологический процесс»

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

На рис. 5 дополнительно отражена рекуррентная структура, которая в целях упрощения и наглядности не показана на рис. 1. Отметим, что заданные, требуемые или предельные эксплуатационные свойства деталей судовых дизелей реализуются путем решения по замкнутой форме триединой задачи - определение ТВ для обеспечения ЭС детали в зависимости от действия ЭФ на соответствующем уровне глубины технологии. Такой подход позволит получать детали судовых дизелей с управляемыми на этапе проектирования ЭС, которые в свою очередь обеспечат заданный ресурс каждой из деталей, а значит и всего изделия. Заключение. Приведенный и описанный в работе алгоритм синтеза ФОТП позволяет обобщить и систематизировать комплекс действий, связанных с проектированием ФОТП в судовом машиностроении для деталей судовых дизелей, работающих в сложных эксплуатационных условиях. Использование алгоритма при назначении функциональноориентированных методов ОУО на разных уровнях глубины технологии дает возможность обеспечивать в деталях судовых дизелей требуемые эксплуатационные свойства. ЛИТЕРАТУРА: 1. Михайлов, А. Н. Основы синтеза функционально-ориентированных технологий машиностроения / А. Н. Михайлов. – Донецк: ДонНТУ, 2009. – 346 с. 2. Костенко, А. В. Особенности классификации и представления деталей в функционально-ориентированной технологии машиностроения / А. В. Костенко, А. Н. Михайлов, А. Н. Полетайкин // Механики XXI веку. – 2019. – №18. – С. 179-186. 3. Костенко, А. В. Особенности структуры функционально-ориентированной отделочно-упрочняющей обработки деталей судовых агрегатов / А. В. Костенко, А. Н. Михайлов, А. В. Лукичев // Прогрессивные технологии и системы машиностроения. – 2019. – №1 (64). – С. 43-51. 4. Михайлов, А. Н. Применение функционально-ориентированных технологий при производстве судовых двигателей внутреннего сгорания / А. Н. Михайлов, А. В. Костенко, А. В. Лукичев // Вестник КамчатГТУ. – 2015. – №33. – С. 11-14. 5. Костенко, А. В. Особенности синтеза технологических процессов отделочно-упрочняющей обработки методом графов / А. В. Костенко, А. Н. Михайлов, А. В. Лукичев // Научные труды Азербайджанской государственной морской академии – 2019. – №2. – С. 89-94. 6. Михайлов, А. Н. Общие принципы повышения эксплуатационных свойств деталей судовых агрегатов на базе функционально–ориентированных технологий / А. Н. Михайлов, А. В. Костенко // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. – 2015. – № 6 (314). – С. 82-87 Поступила в редколлегию 30.04.2019 г.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

УДК 621 А. В. Костенко, канд. техн. наук, 2С. А. Матвиенко, канд. техн. наук 1 Камчатский государственный технический университет, Россия, г. ПетропавловскКамчатский 2 Донецкий национальный технический университет, ДНР, г. Донецк E-mail: andr13kost@list.ru, serge-matvienko@yandex.ru 1

ОСОБЕННОСТИ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ВЫПУСКНОГО КЛАПАНА СУДОВОГО ДИЗЕЛЯ В ФУНКЦИОНАЛЬНО-ОРИЕНТИРОВАННЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ Определены особенности представления выпускного клапана на основе функциональноориентированного подхода. Проанализированы условия работы клапана, выявлены целевые и технические функции. Выполнен анализ эксплуатационных функций, определены неисправности клапана, возникающие вследствие действия эксплуатационных функций. Выпускной клапан представлен как множество функциональных элементов на разных уровнях глубины технологии. Представлены схемы деления клапана на функциональные элементы. Ключевые слова: дизель судовой, клапан выпускной, функционально-ориентированная технология, уровень технологии, структура, функциональный элемент. A. V. Kostenko, S. A. Matvienko FEATURES OF THE REPRESENTATION OF THE OUTLET VALVE OF THE SHIP DIESEL IN FUNCTIONALLY-ORIENTED TECHNOLOGIES The features of the outlet valve presentation are determined on the basis of a function-oriented approach. The operating conditions of the valve are analyzed. The arget and technical functions are identified. The analysis of operational functions is made. The valve malfunctions are identified. The exhaust valve is represented as a set of functional elements at different levels of technology depth. The scheme of dividing the valve into functional elements is presented. Keywords: ship diesel, exhaust valve, function-oriented technology, technology level, structure, functional element.

Введение. Дизельные двигатели внутреннего сгорания (ДВС) составляют основу энергетических установок на морских и речных судах. Надежность работы ДВС существенно влияет на общую надежность всего судна. Механизм газораспределения является одним из основных частей судовых дизелей, а выпускной клапан является важнейшей деталью дизеля и его состояние напрямую влияет на надёжность работы всего дизеля [1]. Функционально-ориентированные технологии (ФОТ) [2] позволяют эффективно решить задачу повышения качества деталей, работающих в сложных эксплуатационных условиях. Особенностями ФОТ являются изучение служебного назначения деталей и условий эксплуатации (эксплуатационных функций) [3], что позволяет в дальнейшем представить деталь в виде множества функциональных элементов на разных уровнях глубины технологии, определить требуемые эксплуатационные свойства, назначить методы, выбрать или спроектировать средства технологического обеспечения. Целью статьи является представление выпускного клапана судовых дизелей в виде изделия с функциональными элементами на базе функциональноориентированного подхода. Задачи исследования: определить назначение, служебные и технические функции выпускного клапана; © Костенко А.В., Матвиенко С.А.; 2019

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

выполнить анализ эксплуатационных функций, определить неисправности клапана, возникающие вследствие действия эксплуатационных функций; представить выпускной клапан в виде множества функциональных элементов (ФЭ). Основная часть. Исследование условий эксплуатации деталей судовых агрегатов является первым этапом при проектировании функционально-ориентированных технологических процессов (ФОТП). Это, в дальнейшем, позволяет более полно реализовывать потенциал деталей. Поскольку, в первую очередь, ФОТ рассчитаны на детали, работающие в сложных эксплуатационных условиях, то проектирование операций функциональноориентированной отделочно-упрочняющей обработки выпускного клапана в полной мере даст возможность реализовать эксплуатационные свойства клапана на новом качественном уровне. Рассмотрим условия работы и нагрузки, действующие на выпускной клапан. Клапаны двигателей работают в напряженных условиях при значительных динамических нагрузках, действующих с большой частотой, при высоких температурах и при коррозионном и эрозионном воздействии горячих газов. [4-7] Механические нагрузки вызываются силами давления газов на тарелку клапана, силами инерции движущихся частей, упругости клапанных пружин и усилием со стороны толкателя-штанги. Высокие термические нагрузки клапанов обусловлены их соприкосновением с горячими газами. Температура тарелки выпускного клапана может достигать 550…800°С. Высокая температура ухудшает механические свойства материала, вызывают высокотемпературную коррозию, эрозию, коробление и неплотное прилегание клапана к седлу, увеличивают опасность заедания штока клапана в направляющей, а иногда приводят к прогоранию тарелки. Часто повторяющиеся смены температур от высоких до низких провоцируют возникновение в зонах перехода тарелки клапана в шток или в районе проточек под сухарики термоусталостных трещин. Основной неисправностью, связанной с работой клапана, является потеря плотности клапанов, которая может быть по следующим причинам: эрозионное изнашивание посадочного конуса тарелки клапана; отложения кокса и золы на тарелке; деформация клапана; нарушение центровки оси клапана в направляющей; прогорание посадочной поверхности вследствие высокотемпературной коррозии, вызванной наличием в топливе ванадия и натрия. В табл. 1 приведены неисправности клапанов и их причины. Таблица 1. – Неисправности клапанов и их причины Возможные неисправности Причины неисправностей Температурные напряжения; механические ударТрещины и риски на фаске клапана ные воздействия Образование на фаске свищей, т. е. частичное отставание наросшего слоя продуктов сгорания Коробление или местное наруше(плакировка), что вызывает пропуск газов и нение герметичности тарелки равномерность температуры тарелки; коррозионные разрушения, механические повреждения; местное выгорание Выработка, наклеп на фаске Естественное изнашивание Увеличение зазора между клапаном Естественное изнашивание и направляющей втулкой

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

В табл. 1 не включен ряд неисправностей, возникающих в результате несоблюдения технологии производства или применения некачественных (несоответствующих) материалов, неправильной эксплуатации, монтажа. Анализ неисправностей и их причин позволяет уже на стадии проектирования технологического процесса изучить и учесть эксплуатационные особенности деталей, которые должны быть заложены в деталь для реализации ее потенциала. Исходя из вышенаписанного, к материалу клапанов предъявляются следующие требования к свойствам: прочность при высоких температурах; достаточная вязкость; отсутствие склонности к короблению и образованию трещин при повторных нагревах; износостойкость; способностью сохранять при повторных нагревах первоначальные физические свойства; отсутствием закаливаемости на воздухе; антикоррозионность. Материалом выпускных клапанов является высоколегированная сталь. Для повышения износостойкости и коррозионной стойкости фаску тарелки клапана покрывают стеллитом или изготавливают клапаны из нихрома, а шток клапана азотируют [4]. Для повышения прочности посадочных бортов рекомендуется наплавлять их коррозионно-, жаро- и износостойкими сплавами. Поверхность стержня клапана допускается подвергать упрочнению накаткой, хромированием, азотированием и закалкой. Торцовая поверхность стержня клапанов, работающих без наконечников, и выточки под сухари должны быть закалены или иметь износостойкую наплавку. В настоящее время разработаны прогрессивные технологические процессы упрочнения поверхности деталей, что увеличивает срок их службы в несколько раз. Для клапанов применяют лазерное легирование и наплавки [6,8]. Для снижения теплонапряженности выпускных клапанов является перспективным использование теплоизолирующих покрытий с малым коэффициентом теплопроводности в осевом направлении и со значительно большим – в радиальном [9]. Таким образом, на поверхности клапана есть места с различными видами и величинами нагрузок, что свидетельствует о необходимости изменения подхода в улучшении эксплуатационных свойств для более полной реализации потенциала клапана. Комплексное решение проблемы обеспечения надежности, долговечности деталей судовых агрегатов можно достигнуть путем применения ФОТ. Далее выполняется деление клапана на функциональные элементы по уровням глубины технологии: всего изделия в целом, частей изделия, составляющих частей изделия, зон, макрозон, микрозон, нанозон. Затем производится упорядочивание функциональных элементов изделия, которое может быть выполнено по различным параметрам для всего изделия в целом или (и) для отдельных функциональных элементов. Для каждого функционального элемента формируется соответствующий модуль технологических воздействий. Рассмотрим деление клапана (рис. 1, а) на функциональные элементы по уровням деления. Первый уровень соответствует уровню всего клапана, второй уровень – уровень частей клапана, третий – составляющие, четвертый – зоны. На рис. 1, б показан клапан, его части (шток и головка) и составляющие. На рис. 2 представлен граф функциональных элементов выпускного по уровням деления, в частности показано, что на 2-м уровне шток (01.01) делится на 5 составляющих (01.01.01, 01.01.02, 01.01.03, 01.01.04, 01.01.05), а головка (01.02) клапана делится на 4 составляющих: 01.02.01, 01.02.02, 01.02.03, 01.02.04.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

Рисунок. 1. Выпускной клапан судового дизеля.

Рисунок 2. Схема деления выпускного клапана на функциональные элементы на 1-м, 2-м и 3-м уровнях При дальнейшем выполнении процесса деления составляющие функциональные элементы делятся на зоны. На рис. 3 показано, что составляющий функциональный элемент 01.01.01 части 01.01 детали 01 делится на 3 зоны: 01.01.01.01, 01.01.01.02, 01.01.01.03. Эти зоны в описательном виде можно представить следующим образом: нижняя поверхность, рабочая поверхность, верхняя поверхность. Именно рабочая поверхность изнашивается при работе клапана и обеспечивает точность движения клапана во втулке, следовательно, при изготовлении именно эта поверхность требует особого внимания при определении метода отделочно-упрочняющей обработки.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

Рисунок 3. Граф функциональных элементов составляющей «Направляющая» по уровням деления (а) и схема расположения зон на составляющей (б). Аналогично можно разделить на зоны тарелку клапана в соответствии с распределением температурного поля (рис. 4).

Рисунок 4. Температурное поле выпускного клапана, 0С: а) режим с pe = 1,73 МПа; б) режим с pe = 2,33 МПа [10]. Далее рассмотрим в соответствии с объектно-ориентированным подходом декомпозицию выпускного клапана, основанную на объектах. Особенность объекта заключается в том, что он не только моделирует некоторый материальный объект реального мира, но и реализует свое собственное поведение – объект является материальной сущностью, обладающей определенным поведением [11,12]. Последнее в контексте ФОТ характеризует целевые и технические функции функциональных элементов на разных уровнях глубины технологии (или абстракции). Таблица 2. Абстракция Уровень технологии Целевая функция Технические функции Свойства (Требования к конструкции)

Клапан Деталь в целом Открытие выпускного окна для выпуска отработавших газов Герметичность камеры сгорания. Отвод тепла Прочность при высоких температурах. Отсутствие склонности к короблению и образованию трещин при повторных нагревах. Износостойкость. Способностью сохранять при повторных нагревах первоначальные физические свойства. Антикоррозионность.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

В таблице 2 показана абстракция (уровень технологии на уровне детали) – клапан, приведены целевые и технические функции. Для достижения целевой функции клапан выполняет несколько отличающихся технических функций, что порождает различные требования, которые должны быть реализованы совокупностью определенных наборов параметров качества. В связи с эти можно рассмотреть следующий уровень технологии, т.е. в качестве абстракции взять только головку клапана, что представлено в табл. 3. Таблица 3. Абстракция Уровень технологии Целевая функция Технические функции Свойства (Требования к конструкции)

Головка клапана Функциональные части Герметичность камеры сгорания. Выпуск отработавших газов Образование нижней границы камеры сгорания. Крепление компрессионных колец Наименьшая теплонапряженность. Меньшая масса при достаточной прочности и жесткости. Малый коэффициент линейного расширения.

Функциональная часть «Головка» выполняет свои целевые функции за счет технических – образование границы камеры сгорания, меньшее сопротивление выпуску отработавших газов и отвод тепла, которые требуют различного подхода к реализации, что позволяет выделить такой элемент как фаска (таблица 4), обеспечивающий герметичность камеры сгорания в условиях нагара, высоких температур и трения. Таблица 4. Абстракция Уровень технологии Целевая функция Технические функции Свойства (Требования к конструкции) Эксплуатационные функции

Фаска Составляющие Герметичногсть камеры сгорания Плотное прилегание к седлу. Отвод тепла. Коррозионная стойкость. Теплостойкость Прочность при высоких температурах. Антикоррозионность. Отсутствие склонности к короблению и образованию трещин при повторных нагревах. Напряжения и деформации Нагрев, изменение свойств материала, термические напряжения

На этом уровне проявляются эксплуатационные функции, дающие возможность определить характер и величину воздействия. Что позволяет определять параметры качества фаски и проектировать ТП реализации этих свойств. Аналогичным образом рассматриваются и другие ФЭ клапана, выделяются эксплуатационные функции, назначаются параметры качества. Заключение. Функционально-ориентированные технологии за счет более детального рассмотрения условий работы как всей детали в целом, так и ее функциональных элементов, позволяют существенно повысить качество изготовления деталей. По-

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

сле деления детали на функциональные элементы и составления структуры этих элементов разрабатываются виды и схемы технологического воздействия. В дальнейших исследованиях планируется в соответствии с представленной структурой клапана выявить методы функционально-ориентированной отделочноупрочняющей обработки функциональных элементов выпускного клапана. ЛИТЕРАТУРА: 1. Ворохобин, С. В. Восстановление клапанов судовых дизелей / С.В. Ворохобин // Вестник МГУ им. адм. Г.И. Невельского. – 2016. – №74. – С. 24-28. 2. Михайлов, А. Н. Основы синтеза функционально-ориентированных технологий машиностроения / А. Н. Михайлов. – Донецк : ДонНТУ, 2009. – 346 с. 3. Костенко, А. В. Синтез структуры функционально-ориентированного процесса изготовления цилиндровых втулок на основе анализа работы судовых дизелей / А. В. Костенко // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. – 2017. – Т. 9. – № 1. – С. 176-186. 4. Возницкий, И. В. Судовые двигатели внутреннего сгорания : В 2 т. Т. 1. / И. В. Возницкий. – М. : Моркнига, 2008. – 282 с. 5. Exhaust valve spindles for marine diesel engines manufactured by hot isostatic pressing / A. Lapina, H. A. Hoeg, J. Knudsen, T. Berglund, , R. Møller & J. H. HattelTechnical // Hot Isostatic Pressing: HIP’17. – 2019. – Т. 10. – P. 98-106. 6. Технология производства судовых энергетических установок / П. А. Дорошенко, А. Г. Рохлин, В. П. Булатов, В. С. Кравченко [и др.]. – Л. : Судостроение, 1988. – 440 с. 7. Возницкий, И. В. Повреждения и поломки дизелей. Примеры и анализ причин / И. В. Возницкий. – 2-е изд. перераб. – СПб.: Моркнига, 2006. – 116 с. 8. Крылов, Е. И. Ремонт дизелей морских судов: справочник / Е. И. Крылов. – М.: Транспорт, 1987. – 302 с. 9. Ширяев, В. М. Повышение долговечности выпускных клапанов форсированных дизелей : дис. ... канд. техн. наук : 05.04.02, 01.02.06 / В. М. Ширяев. – Коломна, 1983. – 196 c. 10. Тринёв, А. В. Анализ теплонапряженного состояния выпускного клапана форсированного тепловозного дизеля / А. В. Тринёв, А. Н. Авраменко, А. Амброзик // Двигатели внутреннего сгорания. – 2004. – №1. – С. 58-60. 11. Буч Г. Объектно-ориентированный анализ и проектирование с примерами приложений : [пер. с англ.] / Г. Буч, Р. А. Максимчук, М. У. Энгл, Б. Дж. Янг, Д. Коналлен, К. А. Хьюстон. – 3-е изд. – М.: ООО «И.Д. Вильямс», 2008. – 720 с. 12. Костенко А.В. Особенности классификации и представления деталей в функционально-ориентированной технологии машиностроения/ А. В. Костенко, А. Н. Михайлов, А. Н. Полетайкин // Механики XXI веку. – 2019. – №18. – С. 179-186. Поступила в редколлегию 04.05.2019 г.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

УДК 621.45.0.002.2(0.75.8) 1

А. П. Пичко, аспирант, 2Д. А. Михайлов, канд. техн. наук, доцент, 1 А. Н. Михайлов, д-р техн. наук, профессор 1 ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, ДНР 2 ГОУВПО «Донецкая академия гражданской защиты», г. Донецк, ДНР Тел.: +38 (071) 3060879; E-mail: tm@fimm.donntu.org ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ СИНТЕЗА СТРУКТУРЫ ПРОЦЕССОВ ОТДЕЛОЧНО-УПРОЧНЯЮЩЕЙ ОБРАБОТКИ ЛОПАТОК КОМПРЕССОРА И ТУРБИНЫ С ФУНКЦИОНАЛЬНО-ОРИЕНТИРОВАННЫМИ ПОКРЫТИЯМИ В представленной работе рассмотрены особенности синтеза структуры технологических процессов отделочно-упрочняющей обработки лопаток компрессора и турбины с функциональноориентированными свойствами. Представлена схема связей свойств лопаток компрессора и турбины. Представлены варианты покрытий для реализации функционально-ориентированных свойств лопаток. А также приведена классификация состава покрытий в зависимости от вида слоев и их назначения. Показаны особенности построения структуры технологических процессов отделочно-упрочняющей обработки лопаток с функционально-ориентированными свойствами. Приведены конкретные структурные варианты технологических процессов обеспечения функционально-ориентированных свойств. Ключевые слова: процессы, технология, комплексный подход, лопатки, функциональноориентированные покрытия. A. P. Pichko, D. A. Mikhaylov, A. N. Mikhaylov TECHNOLOGICAL FEATURES OF THE SYNTHESIS OF THE STRUCTURE OF THE PROCESS-IN FINISHING AND STRENGTHENING TREATMENT OF COMPRESSOR AND TURBINE BLADES WITH FUNCTIONAL-ORIENTED COATINGS In the present paper, the features of the synthesis of the structure of technological processes of finishing and hardening treatment of compressor blades and a turbine with function-oriented properties are considered. A diagram of the relations of the properties of the compressor and turbine blades is presented. The variants of coatings for the implementation of functionally oriented properties of the blades are presented. A classification of the coating composition depending on the type of layers and their purpose is also given. The features of the construction of the structure of technological processes of finishing-strengthening treatment of blades with function-oriented properties are shown. Specific structural variants of technological processes of providing functionoriented coatings are given Keywords: processes, technology, integrated approach, blades, function-oriented coatings.

1. Введение В настоящее время в нефтегазовой промышленности широко используются газотурбинные установки (ГТУ) для решения заданных технологических задач. ГТУ представляет собой сложную техническую систему, состоящую из целого комплекса подсистем и элементов. К основным подсистемам ГТУ относятся компрессор и турбина, имеющие целый комплекс лопаток различного назначения. Выполненные ранее исследования [1, 2, 3] позволили установить, что лопатки компрессора и лопатки турбины эксплуатируются в различных условиях вследствие действия абразивных, коррозионных, химических, физических, температурных и других воздействий. Это приводит к неравномерным разрушениям лопаток компрессора и лопаток турбины, что снижает ресурс ГТУ. Для повышения ресурса ГТУ применяются функционально-ориентированные покрытия (ФОП) лопаток, и реализуется с помощью этих покрытий выравнивание их © Пичко А. П., Михайлов Д. А., Михайлов А.Н.; 2019

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

ресурса в компрессоре и турбине [4, 5, 6] при действии принципиально различных условий их эксплуатации. Для реализации ФОП лопаток необходима разработка специальных технологий, которые позволяют, с одной стороны, повысить ресурс лопаток, и с другой стороны, выровнять ресурс лопаток компрессора и лопаток турбины, что в целом, повышает ресурс ГТУ технологическими методами. Целью данной работы является повышение ресурса ГТУ на основе применения ФОП и выравнивания ресурсов лопаток компрессора и лопаток турбины путем синтеза структуры технологических процессов отделочно-упрочняющей обработки лопаток компрессора и турбины с ФОП. Для достижения этой цели в данной работе планируется выполнение следующих задач: предложить общую схему связей свойств лопаток для последующей разработки технологического обеспечения процессов реализации ФОП и выравнивания их ресурсов лопаток компрессора и лопаток турбины; разработать структурные варианты покрытий лопаток компрессора и лопаток турбины для формирования функциональноориентированных свойств; выполнить синтез структуры комплексного технологического процесса отделочно-упрочняющей обработки лопаток с ФОП. Эти задачи решаются в данной работе. 2. Общие особенности и схема связей свойств лопаток компрессора и турбины с ФОП В данной работе предусматривается выполнение синтеза структуры комплексного технологического процесса отделочно-упрочняющей обработки (ОУО) лопаток компрессора и турбины с функционально-ориентированными покрытиями (ФОП). Здесь, под понятием комплексный технологический процесс понимается одновременный (последовательный или параллельный) синтез структуры технологического процесса для лопаток компрессора и лопаток турбины с установлением связей между их параметрами. При этом синтез структуры технологических процессов ОУО с ФОП для лопаток компрессора и лопаток турбины предусматривается выполнять на основе установления обратных связей с особенностями процесса их эксплуатации. В данной работе предусматривается выполнение комплексного синтеза технологии, состоящей из двух потоков технологических процессов ОУО с ФОП для лопаток компрессора и лопаток турбины. Этот комплексный технологический процесс должен реализовываться на базе принципа предельного или заданного, одинакового или кратного ресурса групп лопаток компрессора и лопаток турбины газотурбинной установки (ГТУ). Данный принцип обеспечивает единовременное полное разрушение защитного ФОП лопаток компрессора и лопаток турбины. А это позволяет решать вопрос повышения полного потенциала ресурса для всех групп лопаток турбокомпрессора. При этом на базе этих принципов возможно дальнейшее одновременное восстановление групп лопаток компрессора и групп лопаток турбины при последующих капитальных ремонтах ГТУ с нанесением одновременно на эти группы лопаток ФОП. Все это дает возможность решать вопросы обеспечения предельного эксплуатационного потенциала ГТУ [7, 8, 9]. Можно отметить, что на базе структурной схемы общего подхода выполняется анализ и синтез структурных вариантов технологических процессов обработки лопаток компрессора и лопаток турбины при их эксплуатационных преобразованиях в ГТУ. Любой комплексный технологический процесс ОУО лопаток всегда многовариантен. При этом необходимые свойства лопаток ГТУ можно обеспечить с использованием технологических процессов с различными их структурными вариантами. В этом

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

случае, для решения различных практических задач необходимо проводить решения вопросов отыскания технологических процессов с рациональной или доминирующей структурой. На рис. 1 представлена схема связей и закономерностей свойств лопаток компрессора и турбины турбокомпрессора ГТУ, которая поясняет много вариантность процесса синтеза структуры комплексного технологического процесса ОУО лопаток турбокомпрессора. Можно отметить, что согласно рис. 1, процесс проектирования структуры технологического процесса с ФОП базируется на множестве 1, 2, 3, …, x1 вариантов реализации покрытий для лопаток компрессора и множестве 1, 2, 3, …, x2 вариантов реализации покрытий лопаток турбины. Причем выбор структурных вариантов должен базироваться на связях и закономерностях свойств К Т а С  f (С ) , именно ресурсы их должны быть равны или кратны [10]. Следует отметить, что проекРисунок 1. Схема связей и закономерностей свойств лопаток тирование варианкомпрессора и турбины турбокомпрессора ГТУ тов ФОП лопаток компрессора и турбины, работающих в различных условиях эксплуатации при действии различных эксплуатационных функции, является очень сложным процессом. Это обусловлено, прежде всего тем, что в компрессоре выполняются одни условия эксплуатации лопаток, а лопатки турбины эксплуатируются совершенно в других условиях при действии других эксплуатационных функций. При этом за счет различных покрытий необходимо обеспечить равный или кратный ресурс лопаток компрессора и турбины. Из этих соображений должны проектироваться структурные варианты технологических процессов ОУО и реализации покрытий лопаток компрессора и лопаток турбины. 3. Структурные варианты покрытий лопаток компрессора и турбины Существует большое множество решений обеспечения различных вариантов ФОП покрытий для лопаток компрессора и лопаток турбины. В качестве примера на рис. 2 представлены возможные варианты покрытий лопаток компрессора. На рис. 2 показаны варианты покрытий лопаток компрессора: на рис. 2, а – гомогенное однослойное абразивно-эрозионно-стойкое покрытие, состоящее из модуля МR i1; на рис. 2, б – двух модульное покрытие, состоящее из связующего модуля МС i1 и гомогенного однослойного абразиво-эрозионно-стойкого модуля МR i2; на рис. 2, в – многослойное абразиво-эрозионно-стойкое покрытие, состоящее из модуля МR i1; на

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

рис. 2, г – двухмодульное покрытие, состоящее из связующего модуля МС i1 и многослойного абразиво-эрозионно-стойкого модуля МR i2.. На основе этих вариантов покрытий можно формировать четыре варианта ФОП. А также возможны и другие перспективные варианты покрытий лопаток компрессора. Можно отметить, что главной эксплуатационной функцией, действующей на лопатки компрессора является абразиво-эрозионный (коррозионный) износ их поверхностей. При этом температурные воздействия на лопатки компрессора незначительны. Поэтому для лопаток компрессора 1 (рис. 2) необходимы покрытия эрозионно - коррозионно - стойкие 2. Это могут быть однослойные гомогенные или многослойные покрытия. Причем они могут наноситься непосредственно на материал лопатки 1 или посредством связующего модуля покрытий 3, который решает проблему адгезионной их прочности. В качестве другого примера на рис. 3 представлены возможные варианты покрытий лопаток турбины. Лопатки турбины эксплуатируются совершенно других Рисунок 2. Варианты покрытий лопаток компрессора: условиях. При этом в а – гомогенное однослойное абразивно-эрозионно-стойкое зоне турбины дейпокрытие, состоящее из модуля МR i1; ствуют температурные б – двух модульное покрытие, состоящее из связующего воздействия, которые модуля МС i1 и гомогенного однослойного абразивно- достигают 1400 … эрозионно-стойкого модуля МR i2; 1800 оС. Поэтому в – многослойное абразивно-эрозионно-стойкое покрытие, здесь, должны быть состоящее из модуля МR i1; специальные покрыг - двух модульное покрытие, состоящее из связующего мо- тия, которые бы задуля МС i1 и многослойного абразивно-эрозионно-стойкого щищали бы основной модуля МR i2 материал лопаток от действия температуры и снижали бы температуру эксплуатационных воздействий. На рис. 3 представлены варианты покрытий лопаток турбины: на рис. 3, а – двух модульное покрытие, состоящее из гомогенного однослойного температуро-защитного жаростойкого модуля МТi1 и гомогенного однослойного абразивно-эрозионно-стойкого

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

модуля МR i2; на рис. 3, б – четырех модульное покрытие, состоящее из связующего модуля МС i1, гомогенного однослойного температуро-защитного жаростойкого модуля МТi1, связующего модуля МСi3 и гомогенного однослойного абразивно-эрозионно-стойкого модуля МRi4; на рис. 3, в – двух модульное покрытие, состоящее из многослойного температуро-защитного жаростойкого модуля МТi1 и многослойного абразивно - эрозионностойкого модуля МR i2; на рис. 3, г - четырех модульное покрытие, состоящее из связующего модуля МС i1, многослойного температуро-защитного жаростойкого модуля МТi1, Рисунок 3. Варианты покрытий лопаток турбины: связующего модуля а – двух модульное покрытие, состоящее из гомогенного од- М Сi3 и многослойного нослойного температуро-защитного жаростойкого модуля абразивно - эрозионноМТi1 и гомогенного однослойного абразивно-эрозионно- стойкого модуля М . Ri4 стойкого модуля МR i2; б – двухмодульное покрытие, состо- На рис. 3, а и рис. 3, б ящее из связующего модуля МС i1, гомогенного однослойно- позиции обозначают го температуро-защитного жаростойкого модуля МТi1, свя- следующее: 1 – материзующего модуля МСi3 и гомогенного однослойного абразив- ал лопатки турбины, 2 – но-эрозионно-стойкого модуля МRi4; в – двух модульное потемпературо-защитное крытие, состоящее из многослойного температуро- жаростойкое покрытие, защитного жаростойкого модуля МТi1 и многослойного абра- 3 – абразивно - эрозизивно-эрозионно-стойкого модуля МR i2; г - четырех модуль- онно-стойкое покрытие. ное покрытие, состоящее из связующего модуля МС i1, мно- При этом на рис. 3, а гослойного температуро-защитного жаростойкого модуля покрытия 2 и 3 гомоМТi2, связующего модуля МСi3 и многослойного абразивно- генное однослойные, а эрозионно-стойкого модуля МRi4 на рис. 3, в покрытия 2 и 3 многослойные. На рис. 3, б и рис. 3, г позиции обозначают следующее: 1 – материал лопатки турбины, 2 – температуро-защитное жаростойкое покрытие, 3 – абразивно-эрозионно-стойкое покрытие, 4 – связующее покрытие, связывающее основной материал лопатки с температуро-защитным жаростойким покрытием, 5 – связующее покрытие, связывающее покрытия 2 и 3. При этом на рис. 3, б покрытия 2 и 3 гомогенное однослойное, а на рис. 3, г покрытия 2 и 3 многослойные. Можно отметить, что в зоне турбины действуют комплексные эксплуатационные функции, которые обуславливаются абразивно-эрозионными и температурными

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

воздействиями. Поэтому для обеспечения работоспособности лопаток турбины могут применяться различные варианты покрытий, некоторые варианты которых представлены на рис. 3. На рис. 4 показан состав покрытий в зависимости от вида слоев и их назначения. Эти покрытия могут применяться как для лопаток компрессора, так и для лопаток тур-

Рисунок 4. Состав покрытий в зависимости от вида слоев и их назначения

бины. При этом состав слоев покрытий в зависимости от вида слоев и их назначения имеет следующую структуру: - слои для выполнения эксплуатационных функций;

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

- технологические слои для обеспечения связей между эксплуатационными слоями. На базе представленной классификации покрытий рис. 4 формируются необходимые ФОП лопаток компрессора и лопаток турбины ГТУ. В качестве примера на рис. 5 представлены особенности синтеза вариантов ФОП лопаток турбины в соответствии заданным вариантом ФОП лопатки турбины в зависимости от закономерностей свойств этих С R1  f (С R 2 ) покрытий. Здесь показано, что на базе одного варианта ФОП лопаток компрессора, имеющего модуль связующих покрытий и модуль абразиво- эрозионностойкого покрытия, возможно создание целого множества 1, 2, 3, …, x2 различных вариантов покрытий лопаток компрессора. При этом покрытия лопаток турбины в зависимости от действия эксплуатационных функций, особенностей охлаждения и материала лопаток могут быть двухмодульные и многомодульные (рис. 5). Следует отметить, что при синтезе вариантов ФОП (рис. 5) необходимо опреРисунок 5. Особенности синтеза вариантов ФОП2 лопаток делять соответствия турбины в соответствии заданным вариантом ФОП1 лопатки и связи параметров турбины в зависимости от закономерностей свойств этих помежду покрытиями крытий лопатки компрессора и лопатки турбины. В качестве примера на рис. 6 приведена схема по определению соответствия и связей параметров между покрытиями лопатки компрессора и лопатки турбины с одинаковыми модулями покрытий Здесь, можно отметить, что определение соответствия модулей покрытий 2 лопаток компрессора 1 и лопаток турбины 1 (рис. 6) М R 22  f (М R12 ) можно выполнять в соответствии с выражением (2.10) и (2.11). Также заметим, что в данном случае для ло-

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

паток компрессора и лопаток турбины применяется однофункциональные покрытий для лопаток компрессора и лопаток турбины. Между материалом лопатки 1 и функциональным покрытием 2 наносится связующее покрытие 3 (рис. 6). Кроме того, в данном случае, в качестве лопаток турбины могут использоваться охлаждаемые лопатки. Поэтому температуро-защитное покрытие отсутствует. В качестве другого примера на рис. 7 приведена схема по определению соответствия и Рисунок 6. Определение соответствия и связей параметров связей параметров между покрытиями лопатки компрессора и лопатки турбины между покрытиями лопатки компрессос одинаковыми модулями покрытий ра и лопатки турбины с различными модулями покрытий. Приведенная схема применяется для неохлаждаемых лопаток турбины и дополнительно используется температуро-защитное покрытие 3 (рис. 7). В этом случае для лопаток компрессора 1 используется двух модульное покрытие, состоящее из связующего модуля МС 11 и многослойного абразивноэрозионностойкого модуля МR 12. Для лопаток турбины применяется четырех моРисунок 7. Определение соответствия и связей параметров междульное покрытие, ду покрытиями лопатки компрессора и лопатки турбины с разсостоящее из свяличными модулями покрытий зующего модуля МС 21, многослойного температурозащитного жаростойкого модуля МТ22, связующего модуля МС23 и многослойного абразивно-эрозионно-стойкого модуля МR24. Таким образом, приведенные в данном параграфе данные позволяют определять начальные параметры для проектирования структуры ОУО лопаток компрессора и лопаток турбины с ФОП. 4. Особенности синтеза структуры комплексного технологического процесса ОУО Каждый технологический процесс имеет заданную структуру операций или этапов. Можно отметить, что структура это совокупность элементов и отношений между ними [4]. В технологическом процессе в качестве элементов выступают операции или

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

этапы технологических процессов. В качестве отношений структуры технологического процесса могут быть определенные связи и закономерности между операциями или этапами технологического процесса. Структуру комплексного технологического процесса ОУО новых лопаток компрессора и турбины с ФОП можно представить системой уравнений: Str ТП1  Х 1 , А1 ;  (1)  Str ТП 2  Х 2 , А2 , где Str ТП j - структура j-го технологического процесса ( j = 1, 2; 1 - технологический процесс ОУО лопаток компрессора, 2 – технологический процесс ОУО лопаток турбины); Xj – этапы j-го технологического процесса; Аj – связи между этапами j-го технологического процесса. Можно отметить, что каждый технологический процесс ОУО для новых лопаток компрессора или турбины с ФОП обычно формируется из трех этапов: - 1-й этап: предварительной обработки до нанесения покрытия, - 2-й этап: нанесения ФОПj , - 3-й этап: завершающей обработки после нанесения покрытия. На рис. 8 показаны особенности построения структуры технологического процесса ОУО для ФОП1 лопаток компрессора и ОУО для ФОП2 лопаток турбины при нанесении покрытий на новые лопатки. Здесь представлены два потока технологических процессов для лопаток компрессора и для лопаток турбины. Между Рисунок 8. Особенности построения структуры технологического последовапроцесса ОУО для ФОП1 лопаток компрессора и ОУО для ФОП2 тельными эталопаток турбины при нанесении покрытий на новые лопатки пами технологических процессов действуют определенные связи kst, а также между параллельными этапами технологических процессов ОУО лопаток компрессора и лопаток турбины с ФОС действуют свои связи fjp. В выражении (1) составляющие определяются следующими множествами: Str ТП1  ( Х 11 , А11 ), ( X 12 , А12 ), ( X 13 , А13 ) ;  (2)  Str ТП 2  ( Х 21 , А21 ), ( X 22 , А22 ), ( X 23 , А23 ) , где (Xjp, Ajp) – р-й кортеж составляющих j-го технологического процесса ОУО лопаток турбокомпрессора. Анализируя систему уравнений (2) для их составляющих можно записать следующие выражения:

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

X jp  x1 , x 2 , x3 , ..., x Z ;  (3)  A jp  a1 , a 2 , a 3 , ..., aY ,   где xz и ay - z-я операция и y-я связь в j-м технологическом процессе ОУО лопаток турбокомпрессора с ФОП. Можно заметить, что структура 1-го этапа комплексного технологического процесса ОУО новых лопаток компрессора и лопаток турбины представлена на рис. 9. Здесь, показаны два потока технологических процессов для лопаток компрессора и лопаток турбины. На рис. 9 показано: V11 и W11 – входной и выходной потоки технологического процесса для лопаток компрессора, соответственно; V12 и W12 – входной и выходной потоки технологического процесса для лопаток турбины, соответственно. Меж-

Рисунок 9. Структура технологических процессов 1-го этапа технологического процесса ОУО лопаток компрессора и лопаток турбины с учетом связей параметров качества их поверхностей для новых лопаток ду структурами технологических процессов действуют связи f11 и f12. Структура 1-го этапа технологических процесса строится на пяти операциях: 1.1. Контроль геометрии и параметров качества поверхностей лопатки; 1.2. Предварительное размерное полирование поверхностей лопатки. 1.3. Окончательное сглаживающее полирование поверхностей лопатки. 1.4. Глянцевание поверхностей лопатки.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

1.5. Ультразвуковая очистка поверхностей лопатки. При этом связи между операциями имеют итерационно-рекуррентную структуру (рис. 9). При этом между структурами технологических процессов действуют другие связи. Это значит, что параметры качества операций каждого технологического процесса зависимы между собой. В соответствии с рис. 8 далее следует 2-й этап технологического процесса ОУО для ФОП1 лопаток компрессора и ОУО для ФОП2 лопаток турбины при нанесении покрытий на новые лопатки. На рис. 10 представлена структура технологических процессов 2-го этапа технологического процесса напыления покрытий лопаток компрессора и лопаток турбины с учетом связей параметров качества их покрытий для новых лопаток турбокомпрессора в соответствии покрытием рис. 6. В этом случае ФОП1 на лопатки компрессора наносятся в соответствии с левой линией алгоритма технологического процесса, а ФОП 2 на лопатки турбины наносятся в соответствии с правой линией алгоритма технологического процесса. Можно отметить, что структура этих покрытий, а именно лопаток компрессора и лопаток турбины, строится идентично. При этом состав покрытий может быть различным для обеспечения реализации равенства их ресурсов при эксплуатации в условиях действия различных функций. Также следует отметить, что покрытия лопаток турбины, представленные на рис. 6, могут обычно применяться для охлаждаемых лопаток. Кроме того, в соответствии с рис. 10, между алгоритмами технологических процессов лопаток компрессора и лопаток турбины действуют связи f21 и f22. На рис. 10 показано: V21 и W21 – входной и выходной потоки технологического процесса для лопаток компрессора, соответственно; V22 и W22 – входной и выходной потоки технологического процесса для лопаток турбины, соответственно. Можно отметить, что технологические процессы нанесения ФОП предусматривается выполнять на вакуумной ионно-плазменной установке в соответствии с разработанным способом, который будет представлен в следующем разделе диссертационной работы. При этом структура этих технологических процессов многовариантна, она определяется связями ast, а также особенностями итерационно-рекуррентных отношений, на базе которых формируется прогрев лопаток и количество различных слоев покрытия. Структуры технологических процессов напыления ФОПi имеют следующие операции: 2.1. Загрузка лопаток в вакуумную камеру. 2.2. Очистка лопаток в тлеющем разряде. 2.3. Насыщение поверхностного слоя газами (азотирование). 2.4. Ионная бомбардировка поверхностей лопаток. 2.5. Прогрев лопаток. 2.6. Напыление ij-го слоя модуля МСj1 связующих покрытий со слоями ij =1, 2, 3, …, Ij. 2.7. Напыление mj-го слоя модуля МRj2 абразиво-эрозионностойкого многослойного (АЭС) или абразивно-эрозионно-жаростойкого (АЭЖС) многослойного покрытия со слоями mj =1, 2, 3, …, Mj. 2.8. Охлаждение лопаток. 2.9. Разгрузка лопаток из вакуумной камеры. В качестве другого варианта напыления ФОП на лопатки турбокомпрессора на рис. 11 представлена еще одна структура технологического процесса.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

Рисунок 10. Структура 2-го этапа технологического процесса для напыления покрытий лопаток компрессора и лопаток турбины с учетом связей параметров качества их покрытий для лопаток турбокомпрессора в соответствии покрытием рис. 6

На рис. 11 представлена структура технологических процессов 2-го этапа технологического процесса напыления покрытий лопаток компрессора и лопаток турбины с учетом связей параметров качества их покрытий для новых лопаток турбокомпрессора. Данная структура технологического процесса выполняется в соответствии покрытием, приведенным на рис. 7. В этом случае, покрытие лопатки компрессора аналогично

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

Рисунок 11. Структура технологических процессов 2-го этапа технологического процесса напыления покрытий лопаток компрессора и лопаток турбины с учетом связей параметров качества их покрытий для новых лопаток турбокомпрессора в соответствии покрытием рис. 7

№ 4(67)’2019

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

покрытию рис. 6, а покрытие лопаток турбины имеет четыре модуля (рис. 7). Эти четыре модуля имеют следующую структуру: - М С 21 - первый модуль связующих покрытий, общая его толщина обычно составляет 0,25 … 0,75 мкм, этот модуль связывает основной материал лопатки с температура-защитным жаростойким покрытием; - М T 22 - модуль температуро-защитных жаростойких покрытий, общая его толщина обычно составляет 300 … 400 мкм, данный модуль покрытий снижает проникновение температуры к основному материалу лопатки из условия   0,8 ... 1,5 0С / мкм ; - М С 23 - второй модуль связующих покрытий, общая его толщина обычно составляет 0,25 … 0,75 мкм, этот модуль связывает температура-защитное жаростойкое покрытие с абразива-эрозионно-жаростойким покрытием; - М R 24 - модуль абразиво-эрозионно-жаростойких покрытий, общая его толщина рекомендуется в пределах 8,0 … 20,0 мкм. Следует отметить, что в данном случае первый и второй модули покрытий могут наноситься, например, детонационно-газовым методом, а третий и четвертый модуль вакуумным ионно-плазменным методом. При этом на рис. 11 показано: V21 и W21 – входной и выходной потоки технологического процесса для лопаток компрессора, соответственно; V22 и W22 – входной и выходной потоки технологического процесса для лопаток турбины, соответственно. Между структурами технологических процессов действуют связи f21 и f22. В этом случае, структура технологического процесса нанесения ФОП1 на лопатки компрессора соответствуют структурной схеме рис. 10. При этом структура технологического процесса нанесения ФОП2 для лопаток турбины состоит из двух частей (рис. 11). Первая часть технологического процесса нанесения ФОП2 на лопатки компрессора имеет следующие составляющие: 2.1. Подготовка лопаток к нанесению модулей М С 21 и М T 22 покрытий. 2.2. Нанесение i2-го слоя модуля М С 21 связующих покрытий со слоями i2 = 1, 2, 3, …, I2. 2.3. Нанесение j2-го слоя модуля М T 22 температуро-защитного жаростойкого покрытия со слоями j2 = 1, 2, 3, …, J2. Вторая часть технологического процесса нанесения ФОП2 на лопатки компрессора (правая часть структуры (рис. 11)), а именно представленная позициями 2.4 … 2.12 (рис. 11), имеет составляющие полностью аналогичные левой части (рис. 11). Возможны и другие перспективные структурные варианты технологических процессов нанесения ФОП лопаток турбокомпрессора. В этом случае, методом морфологического анализа генерируется полное множество возможных вариантов технологических процессов напыления ФОП, и затем отыскиваются доминирующие варианты, например, методом направленного их поиска. Далее, выполняется 3-й этап (завершающий) технологического процесса ОУО для ФОП1 лопаток компрессора и ОУО для ФОП2 лопаток турбины. Структура 3-го этапа комплексного технологического процесса ОУО новых лопаток турбокомпрессора представлена на рис. 12. Здесь, представлены два потока технологических процессов для лопаток компрессора и лопаток турбины. На рис. 12 показано: V31 и W31 – входной и выходной потоки технологического процесса для лопаток компрессора, соответственно; V32 и W32 – входной и выходной потоки технологического процесса для лопа-

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

ток турбины, соответственно. Между структурами технологических процессов действуют связи f31 и f32.

Рисунок 12. Структура технологических процессов 3-го этапа технологического процесса ОУО лопаток компрессора и лопаток турбины с учетом связей параметров качества их поверхностей для новых лопаток Структура 3-го этапа технологических процесса ОУО лопаток турбокомпрессора формируется на трех операциях: 3.1. Окончательное глянцевание покрытия лопатки. 3.2. Полный контроль параметров качества лопатки. 3.3. Консервация и упаковка лопаток. Следует отметить, что возможны и другие перспективные структурные варианты процессов нанесения ФОП лопаток. В этом случае, методом морфологического анализа генерируется полное множество возможных вариантов технологических процессов напыления ФОП, и затем отыскиваются доминирующие варианты, например, методом направленного их поиска. 5. Заключение Таким образом, приведенные в данной работе результаты направлены на повышение ресурса ГТУ на основе применения ФОП и выравнивания ресурсов лопаток компрессора и лопаток турбины путем синтеза структуры технологических процессов отделочно-упрочняющей обработки лопаток компрессора и турбины с ФОП. Для решения этих вопросов в представленной работе выполнен анализ схемы связей свойств лопаток для выполнения последующей разработки технологического обеспечения процессов реализации ФОП и выравнивания ресурсов лопаток компрессора и лопаток турбины. При этом выполнена разработка структурных вариантов покрытий лопаток компрессора и лопаток турбины для формирования их функциональноориентированных свойств на базе ФОП. А также в работе проведен синтез структуры комплексного технологического процесса ОУО лопаток с ФОП. На основе этих исследований представлены структуры технологических процессов.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

ЛИТЕРАТУРА: 1. Пичко, А. П. К определению структурной надежности газотурбинных установок нефтегазовой промышленности / А. П. Пичко [и др.] // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: международный сб. научных трудов. – Донецк: ДонНТУ, – 2018. – Вып. 2 (61). – С. 64 - 74. 2. Пичко, А. П. Эксплуатационные особенности газотурбинных установок нефтегазовой промышленности и общий подход в повышении их свойств / А. П. Пичко [и др.] // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: международный сб. научных трудов. – Донецк: ДонНТУ, 2018. – Вып. 3 (62). – С. 47 - 54. 3. Пичко, А. П. Особенности обеспечение свойств лопаток компрессора и турбины газотурбинной установки на базе функционально-ориентированных покрытий и равенства их ресурсов / А. П. Пичко [и др.] // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Международный сб. научных трудов. – Донецк: ДонНТУ, 2019. – Вып. 1 (64). – С. 68 - 77. 4. Михайлов, А. Н. Основы синтеза функционально-ориентированных технологий / А.Н. Михайлов. – Донецк: ДонНТУ, 2009. – 346 с. 5. Михайлов, А. Н. Новые тенденции в повышении ресурса газотурбинных двигателей и установок на основе обеспечения функционально-ориентированных свойств / А. Н. Михайлов [и др.] // Сборник трудов международной научно-технической конференции «Техническая эксплуатация водного транспорта: проблемы и пути развития» в г. Петропавловск-Камчатский 17-19 октября 2018 г. – Петропавловск-Камчатский: КамчатГТУ, 2018. – С. 43-47. 6. Михайлов, Д. А. Технологическое обеспечение повышения работоспособности лопаток компрессора газотурбинного двигателя на основе функциональноориентированного подхода: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.02.08 / Д. А. Михайлов. – Донецк, 2016. – 22 с. 7. Демин, Ф. И. Технология изготовления основных деталей газотурбинных двигателей: учеб. пособие. / Ф. И. Демин, Н. Д. Проничев, И. Л. Шитарев – М.: Машиностроение, 2002. – 328 с. 8. Богуслаев, В. А. Технологическое обеспечение и прогнозирование несущей способности деталей ГТД / В. А. Богуслаев, В. К. Яценко, В. Ф. Притченко – Запорожье: ОАО «Мотор Сич», 2006. – 335 с. 9. Авиаинформ [Текст] / Ежемесячный информационно-аналитический журнал. – М.: Международная ассоциация «Союз авиационного двигателестроения», 2018. – Вып. № 12 (177). – 153 с. 10. Михайлов, В. А. Комплексное повышение ресурса всех групп лопаток компрессора турбовального ГТД на основе функционально-ориентированного подхода / В. А. Михайлов, А. Н. Михайлов, А. В. Байков // Наукоемкие технологии в машиностроении. – Брянск: ФГБО ВО «БГТУ», 2017. – № 9. – С. 42-48. Поступила в редколлегию 14.05.2019 г.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

УДК 621.9.06 Ю. П. Ракунов, канд. техн. наук, доцент; В. В. Абрамов, д-р техн. наук, профессор; А. Ю. Ракунов, инженер Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет, Россия. E-mail: rakunov1991@mail.ru; valabramov@rambler.ru ОПРЕДЕЛЯЮЩАЯ РОЛЬ РАДИУСА ОКРУГЛЕНИЯ РЕЖУЩЕГО КЛИНА В УСПЕХЕ ТОНКОЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ТРУДНООБРАБАТЫВАЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ В статье сделан литературный обзор и показано влияние радиуса округления режущей кромки (ρ) на режимы резания, минимальное сечение среза и точность обработки жаропрочных сталей и сплавов. Рассмотрены патентованные унифицированные режущие инструменты, позволяющие использовать промышленные методы доводки их режущих элементов по передним и задним граням, обеспечивая необходимый радиус округления режущего клина. Даны зависимости ρ от угла заострения, действительной толщины среза и коэффициента усадки стружки, сформулированы рекомендации для финишного точения деталей с заданной площадью обработанной поверхности определенного качества унифицированными расточными и наружными контурными резцами различных типоразмеров. Ключевые слова: радиус округления, толщина среза, субмикронная точность изготовления, схема резания, стойкость инструмента, методы достижения минимального ρ, аналитические и эмпирические зависимости, технологические рекомендации. Y. P. Rakunov, V. V Abramov, A. Y. Rakunov THE DECISIVE ROLE OF THE RADIUS OF ROUNDING OF THE CUTTING EDGE IN THE SUCCESS OF FINE MACHINING OF DIFFICULT-TO-WORK MATERIALS A literature review has been made and the influence of the cutting edge rounding radius (ρ) on the cutting conditions, the minimum cross section and the accuracy of processing of heat-resistant steels and alloys has been shown. Patented unified cutting tools are considered, which allow the use of industrial methods of finishing their cutting elements along the front and rear edges, providing the necessary ρ of the cutting wedge. The dependences of ρ on the sharpening angle, the actual thickness of the slice and the shrinkage coefficient of the chips are given, recommendations are made for finishing with cutting tools of various sizes Keywords: rounding radius, slice thickness, submicron manufacturing accuracy, cutting scheme, tool life, methods for achieving minimum ρ, analytical and empirical dependencies, technological recommendations.

Введение В настоящее время происходит бурное развитие производства, особенно в оборонных отраслях промышленности. Вкладываются большие средства на создание современных, восстановление, модернизацию и перевооружение машиностроительных и двигателестроительных предприятий. Они оснащаются новыми станками, технологиями, режущим инструментом и компетентными кадрами, но вместе с тем, возникает ряд существенных технических финансовых, кадровых и других проблем. Потребность предприятий в вышеупомянутых ресурсах значительно превышает предложения на рынке. Наибольшую потребность в этих ресурсах испытывают предприятия аэрокосмической отрасли, так как они производят наиболее сложные и дорогостоящие детали двигателей и других агрегатов летательных и космических аппаратов (ЛиКА) [1,2]. Ключевые детали двигателей (диски лопаток турбин, валы, роторы, лопаток, кожухи и т.д.), как правило, изготавливают из жаропрочных, жаростойких и корро© Ракунов Ю.П., Абрамов В.В., Ракунов А.Ю.; 2019

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

зионностойких сплавов и сталей, характеризующихся высокой прочностью, износостойкостью, а также устойчивостью к высоким температурам. К труднообрабатываемым материалам относятся также титановые сплавы, обладающие в 4…5 раза худшей теплопроводностью, чем стали, но при этом имеют самую высокую удельную прочность среди металлических конструкционных материалов. Стоимость наиболее ответственных деталей ЛиКА достигает 1,5 млн рублей при цене заготовки 300…400 тыс. рублей. Точность изготовления таких деталей с учётом условий и режимов работы компонентов двигателей ЛиКА составляет несколько микрометров, т. е. допуск по 4–5 квалитету точности при шероховатости Ra = 0,08…0,32 мкм [3]. Цель исследования. Существующее техническое оснащение аэрокосмических предприятий металлорежущим инструментом (МРИ) не обеспечивает стабильности качества и производительности обработки ключевых деталей двигателей и других определяющих компонентов ЛиКА. Поэтому создание двигателей сводится к индивидуальной подборке и селективной сборке их узлов и сборочных единиц, то есть существующие технологии, в которых используют МРИ, особенно сборный ресурсозатратный инструмент с неперетачиваемыми сменными многогранными пластинами (СМП) иностранных производителей (Sandvic Coromant, Widia, Kennametall, Iscar и др.), обладающий повышенной интенсивностью изнашивания (нормативная или рекомендуемая стойкость на конструкционных материалах составляет 15 мин при максимально допустимой скорости резания), а при обработке жаропрочных сплавов (ЭИ-698-ВД или ВЖ-98) стойкость МРИ составляет 3-10 мин. Форсированные (неоптимальные) режимы обработки и недостаточно жесткие станки (металлообрабатывающее оборудование) и тонкостенные заготовки не позволяют в полной (необходимой) мере получать прецизионные стабильные размеры и качество поверхности обрабатываемых рабочих поверхностей деталей. Наивысшая точность, которую реально могут достигать механосборочные производства при лезвийной обработке в этих условиях, составляет порядка 10 мкм [1-3] (cм. рис.1). При изготовлении диска лопаток турбин на производстве затрачивается порядка 3-х рабочих дней на выполнение черновых деталеопераций (установов), а чистовые (финишные) установы могут занимать 4–5 дней. Это объясняется тем, что прецизионные станки и программное обеспечение позволяют позиционировать МРИ относительно заготовки с точностью 1 мкм и менее (уже существуют японские и отечественные станки субмикронной точности, реализующие наноточение или наноточности). Для снижения издержек и повышения производительности производства деталей аэрокосмической отрасли из жаропрочных сплавов необходимо было решить научно-техническую задачу по разработке МРИ с радиусом ρ порядка 2…3 мкм (микролезвие) и оптимальных режимов резания. Решение этой задачи позволяет снизить количество деталей с дефектовкой, уменьшить брак за счёт повышения точности и одновременно производительной обработки из-за увеличения стойкости МРИ и сокращения количества переналадок станка. Однако лучшие образцы зарубежных МРИ, используемый для обработки жаропрочных сплавов, имеет радиус округления режущей кромки (остроту лезвия) ρ = 10…15 мкм [2,3]. СМП с износостойкими покрытиями имеют радиус округления режущей кромки еще больше – порядка ρ = 20…30 мкм.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

Материалы и методы исследования. Российский аналог - ресурсосберегающий унифицированный РИ (УРИ) имеет максимальную остроту лезвия ρ = 5…10 мкм, заточенный и доведённый алмазными кругами на керамической или бакелитовой связке при оптимальных режимах шлифования. На многократно перетачиваемых режущих элементах (РЭ) резцов унифицированных конструкций [4,5] возможно получение ρ = 3÷5 мкм и даже менее после доводки алмазными пастами в многоместных кассетных приспособлениях при особомелкозернистой структуре твёрдого сплава, например: ВК6ОМ, ВК10ОМ, ВК10ХОМ и ВРК15 [6-8].

Рисунок 1. Схема резания резцом с радиусом округления лезвия ρ. НСЖ – зона упруго - пластической деформации; НУ – упругое последействие; β – угол скалывания; |–γ| = 90о - β, β1 – угол сдвига; |–γ| = arcsin (1 – αi / ζ) – отрицательный передний угол, где: αi – толщина среза; ζ – коэффициент усадки стружки. При попытке достижения требуемой точности с использованием импортного МРИ с ρ = 10…15 мкм оператор станка вынужден многократно осуществлять переходы по доводке точных поверхностей детали. При перемещении МРИ на 10 мкм он вдавливается в поверхность заготовки, однако резания не происходит из-за её малой жёсткости. Оператору приходится увеличивать глубину резания и повторять проход, при этом на очередном проходе происходит врезание режущего клина в поверхность и срезается гораздо больший слой металла, чем нужно, что обычно приводит к браку детали. Таким образом, использование импортного МРИ не даёт возможности гарантированно получать заданную субмикронную точность. [2-8]. Современная статистика показывает, что из 100% деталей двигателей ЛиКА, изготавливаемых из жаропрочных сплавов, только 20% удовлетворяют требованиям точности изготовления, на 50% деталей составляется дефектная ведомость (при этом их стоимость снижается на 1/3) и 30% бракуются окончательно. Учитывая этот факт, сборка готового двигателя осуществляется селективным методом по наиболее подходящим размерам. В большинстве случаев при ремонте двигателей ЛиКА невозможно заменить изношенную деталь на новую так как при изготовлении не обеспечивается их унификация и полная взаимозаменяемость. Для достижения полной взаимозаменяемости необходимо повысить точность изготовления, что обеспечит

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

увеличение количества точных поверхностей, попадающих в поле допуска размеров [2,3,8]. Известные методы и режимы затачивания с применением шлифования и доводки алмазным инструментом позволяют получать на мелко- и особо- мелкозернистых сплавах РЭ лезвие режущего клина с ρ ≥ 2(3)…5 мкм (таблица). Измерение ρ проводилось на приборе «КОНТУРОГРАФ» мод. 220 (ТУ3943005-70281271-2011), изготовленным ОАО «Завод ПРОТОН» МИЭТ. Опытное тонкое точение проводилось на станке ТПК-125В высокой точности. Результаты и их обсуждение. Таким образом, можно сделать вывод, что величина ρ зависит от зернистости твёрдого сплава, параметров обрабатывающего инструмента, геометрических параметров режущего клина (РК), режимов обработки его передней и задних поверхностей. Настоящие исследования и эксперименты проводились на цилиндрических унифицированных РЭ (цельных и составных со стружколомом) (см. рис. 2), имеющих угол заострения δ = 90о – (γ + α) = 70о. Влияние угла δ на величину ρ выявлялось на РЭ из сплава ВК6ОМ со средним размером зерна WC, равным 0,8…1,0 мкм. Для этого случая получена эмпирическая зависимость ρ = 0,5δ2 · 10–3 + 2. (1) Таблица. Средний Шероховатость Средняя велиМарка размер Содержание, % Ra, мкм (класс) чина ρ, мкм сплава зёрен после доводки WC, Со WC TаC CrC КБ АК АП КБ АК АП мкм ВК3М

1,6

ВК6М ВК10М ВК15М ВК6ОМ ВК10ОМ ВК10ХОМ ВРК15 Т15К6

1,5 1,6 1,6 0,8…1,0 0,8…1,0 0,4…0,6 1,0 1,5

6 10 15 6 10 10 15 6

94 90 85 92 90 88 76 79

0,2 (9) 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2

0,1 (10) 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1

0,05 (11) 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05

7–8

7–8 6 5 7–8 6 5 7–8 6 5 2 5–6 4 3 5–6 4 3 2 4–5 3 2 9 (Re) 5 4 3 15 8–10 7-8 5-6 (TiC) Примечание: КБ – паста карбида бора; АК - алмазный круг; АП – алмазная паста.

Соотношения между углом δ и радиусом ρ были получены ранее рядом исследователей. Так, например, в работе [9] эта зависимость приводится в виде: ρ = 5,2 · tg2 (δ /2) (2) По данным ВНИИнструмент, для сплава ВК6 получена зависимость: ρ = 55 – 0,55 (125 – δ) (3) Приведённые зависимости (2) и (3) устанавливают факт влияния δ на радиус ρ, но по ним можно определять величину ρ только для тех сплавов и технологических условий, в которых они получены, т. е. диапазон их справедливости и применения ограничен.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

В работах по чистовому точению стали 45 (1045 – холоднотянутая сталь с присадкой серы) для получения оптимальной шероховатости поверхности (R a = 0,75…1,25 мкм) рекомендуются следующие режимы и условия резания: скорость V=330 м/мин, глубина резания t=0,25…0,75 мм, подача Sо= 0,05 мм/об; геометрия резца в плане: R =0,3…0,5 мм, φ = 90о, φ1 = 20о; геометрия режущего клина: радиус округления режущей кромки после доводки ρ=2,5…3,5 мкм, γ=0о (при уменьшении V, γ - увеличить), α = 10о ; работа – без охлаждения. Эти условия резания обеспечивают шероховатость в пределах Ra = 0,8 мкм или Rz = 4,0 мкм при достаточной жесткости системы

Рисунок 2. Унифицированный наружный резец с многократно перетачиваемым составным РЭ. ЗИПС (заготовка-инструмент-приспособление-станок) [8-10]. Радиус округления ρ и шероховатость режущей кромки принципиально важны при финишном точении. Твердосплавные унифицированные РЭ, заточенные и доведенные алмазными кругами и пастами, дают на 40…50% меньшую шероховатость и большую размерную стойкость (в 2-3 раза), чем резцы, заточенные без последующей доводки (рис.3) [7,8,14]. ∆ρ – размерный износ УРИ; δф – погрешность формы поперечного сечения цилиндра

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

F, дм2 39

Ra=2,0мкм; δф=10мкм;

∆ρ=110мкм; Rar=1,6мкм; = 0,25ммδф=5мкм;

∆ρ=95мкм; r = 0,2мм

№ 4(67)’2019

Ra=4,0мкм; δф=25мкм; ∆ρ=160мкм; r = 0,5мм

Ra=2,5мкм; δф=15мкм;

∆ρ=130мкм; r = 0,3±0,1мм

30 27 24 21 18 15

Ra=1,25мкм; δф=3,67мкм

Ra=1,0мкм; δф=3,2мкм;

∆ρ=60мкм; r = 0,13мм

∆ρ=80мкм; r = 0,16мм

6 Ra=0,87мкм; δф=3мкм;

3 5 0

∆ρ=50мкм; r = 0,1мм 2 3 4 6 1 1 2 3 dρ, мм Рисунок 3. Зависимость площади обработанной поверхности определенного 0 8 4 0 качества, полученного финишным точением на станке с ЧПУ высокой точности унифицированными РИ типоразмеров: 02Цв, 03Цв, 04Цв; 06Цт, 10Цт, 18Цт, 24Цт, 36Цт при условии экономической стойкости на оптимальной скорости резания (при оптимальной температуре резания). Пара материалов: сталь 12Х18Н10Т– ВК6ОМ. Режимы резания по таблицам-матрицам первичной подсистемы [4]. В действительности на практике при величине ρ, соизмеримой с толщиной срезаемого слоя α металла, процесс стружкообразования происходит даже при отрицательных передних углах. Величина отрицательного переднего угла может быть рассчитана следующим образом: |–γ| = arcsin (1 – αi / ζ) где: αi – толщина среза в точке i; ζ – коэффициент усадки стружки.

(4)

Из этого равенства при ρ = 10 мкм и αi = 5 мкм, величина переднего угла γi = – 30о. Несмотря на большие отрицательные передние углы, процесс стружкообразования при обработке эластичных материалов происходит устойчиво при достаточной

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

жёсткости системы ЗИПС даже при весьма малых толщинах среза. Например, устойчивый процесс резания на скоростях 5÷6 м/мин при протягивании возможен с толщиной среза 2 мкм [11]. При оптимальных скоростях резания, обеспечивающих отсутствие нароста, устойчивое резание возможно при отрицательных γ, но не более 45 о. В точке i (т. В на рис.1) поток металла раздваивается: часть его течёт по передней поверхности РЭ, а часть – по задней, деформируясь при этом и упрочняясь [12-14]. Очевидно, что чем больше ρ, тем больше должна быть величина αi, при этом оптимальное соотношение αi /ρ можно считать равным 3 [2, 4, 14,15]. Для достоверной экспериментальной проверки УРИ проведена обработка безцентрошлифованных нагартованных прутковых заготовок ø10,5-B-h10-H-9XC длиной 2,5 м на токарном автомате продольного точения с ЧПУ Торнос ENC264. Партии по 600 шт. деталей типа «Толкатель» ø7,5h7(–0,012) с переходом на ø8,2-0,1 общей длиной 47,2–0,05 мм точили на режимах, рекомендованных ТP 1 80050-90 для труднообрабатываемых материалов [4,5,8]. Унифицированные резцы 2105-0026 для наружной обработки с механическим тангенциально-клеммовым креплением цилиндрических стержневых (проволочных) многократно перетачиваемых РЭ с продольной радиусной канавкой или накладным стружколомом в режиме максимальной стойкости обеспечивают качество обработанной поверхности ø7,5h7 (разброс в партии деталей 613 шт. – 10 мкм при шероховатости Ra < 1,25 мкм), при этом стойкость резца составляет 1000 мин (16,67 час.) до переточки, что соответствует ресурсостойкости F/∆p = 23,3/3,7 = 6,27 дм2/мкм до ввода коррекции в 5 мкм и Fп/∆pп = 47,94/7,5 = 6,39 дм2/мкм до переточки. Эти значения превышают стойкость паяных нормализованных резцов в 3,5 ÷ 10 раз (из-за разброса в параметрах стойкости паяных резцов). По сравнению с паяными резцами фирмы «Precitool» (Швейцария) ресурсостойкость повышается в 1,8 ÷ 2 раза по критерию «интенсивность размерного износа на единицу площади обработанной поверхности заданного качества», т.е. мкм/дм2. Ресурсостойкость наружного резца 2105-0016 на станке Торнос – ENC164 составила 57,94/7 = 8,28 дм2/мкм, что превышает этот показатель для паяного резца фирмы «Precitool» (Швейцария) – 36,32/30 = 1,21 дм2/мкм – в 6,8 раза. Эти данные подтверждены актами внедрения [8]. Ресурсостойкость отрезного резца 2139-0016 составила в длине отрезки 1р = 41,88 дм – при отрезке заготовок и 6,26 дм2 – при торцовке, что в 8,3 раза больше, чем у паяных нормализованных резцов. Заключение Радиус округления режущего клина ρ, шероховатость режущих поверхностей и кромок, геометрия резцов принципиально важны при финишном точении, т.к. определяет минимально возможное сечение среза. Твердосплавные УРИ, заточенные и доведенные алмазными кругами и пастами, обеспечивают радиус округления в пределах 2…5 мкм, что дает на 40…50% меньшую шероховатость и большую размерную стойкость (в 2-3 и более раз), чем резцы, заточенные без последующей доводки, особенно эта разница наблюдается при сравнении с резцами, оснащенными неперетачиваемыми сменными пластинами. Импортозамещение инструмента должно заключаться в замене покупного МРИ на УРИ при соответствующей организации его серийного производства.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

ЛИТЕРАТУРА: 1. Реченко, Д. С. Повышение эффективности твердосплавного лезвийного инструмента путем сверхскоростного затачивания и разработки комплекса условий его эксплуатации: автореф. дис. . д.т.н / Д. С. Реченко. – Томск, 2018. – 37 с. 2. Рыкунов, А. Н. Повышение эффективности тонкого точения исходя из достижимых показателей качества деталей и технологических возможностей процессов: автореф. дис. ... д.т.н. /А.Н. Рыкунов. – М.: МГТУ «СТАНКИН», 1999. – 30 с. 3. Оптимизация технологических условий механической обработки деталей авиационных двигателей / В. Ф. Безъязычный, Т. Д. Кожина, А. В. Константинов [и др.] – М.: Изд-во МАИ, 1993. – 184 с. 4. Ракунов, Ю. П. Первичная подсистема многоуровневой базовой технологии /Ю.П. Ракунов // Наукоёмкие технологии в машиностроении. – 2012. – №3. – С. 2331. 5. Патент 2226453 РФ Многократно перетачиваемый резец / Ракунов Ю. П., Хрульков В .А., Золотова Н. А., Тихонов Н. А. – Бюл. № 10. – 2004. 6. Хает, Г. Л. Влияние округления режущей кромки твердосплавных резцов на их прочность и износостойкость / Г. Л. Хает, Г. Д. Василюк // «Вестник машиностроения». – 1970. – № 4. – С. 71-73. 7. Захарченко, И. П. Основы алмазной обработки твердосплавного инструмента / Захарченко И. П. – Киев: Наукова думка, 1981. – 300 с. 8. Ракунов, Ю. П. Прогрессивные конструкции и технологические процессы изготовления унифицированных твёрдосплавных резцов к станкам с ЧПУ / Ю.П. Ракунов, В. В. Абрамов, Н. А. Золотова // Станочный парк. – 2011. – № 5. – С.71-75. 9. Shaw, M. C. Finish machining. Ann. C.I.R.P. /Shaw M. C. Crowell J.A. – 1965. – 13. N 1, 5-21, Discuss., 21-22. 10. Machining: fundamentals and recent advances / Ed. J. Paulo Davim. Springer, 2008. 361 p. 11. Маргулис, Д. К. Роль нароста при протягивании с малыми подачами / Д. К. Маргулис / Станки и инструмент. – 1960, №12. – С. 14-18. 12. Янюшкин, А. С. Анализ методов определения радиуса округления режущей кромки /А. С. Янюшкин, Д. В. Лобанов, А. М. Кузнецов, М. В. Стлидзан // Труды Братского ГУ: Серия «Естественные и инженерные науки». – Братск: БрГУ, 2006. Т.2. – С. 256-260. 13. Ракунов, Ю. П. Аналитический метод определения сил резания при тонкой механической обработке. / Ю. П. Ракунов, В. В. Абрамов // Перспективные научные исследования. Материалы междунар. конф. Изд-во: Бял ГРАД-БГ (г. София, Болгария) 17-25.02.2014. 14. Патент 2170160 РФ, Резец / Калмыков В.И., Ракунов Ю.П., Хрульков В.А., Петровская Т.М., Золотова Н.А., Борисенко Н.Н. – Бюл. № 19. – 2001. 15. Волгарев, Л. Н. Исследование некоторых вопросов оптимального резания при тонком точении жаропрочных материалов: автореф. дис. … канд. техн. наук – М.: МАМИ, 1970. – 23 с. Поступила в редколлегию 18.05.2019 г.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

УДК 621.024 Г. В. Серга д-р техн. наук, профессор, зав. каф. НГиГ, А. Н. Секисов, канд. .экон. наук, доцент каф. ТОЭСиУН 1 Кубанский государственный аграрный университет им. И. Т. Трубилина 2 Кубанский государственный технический университет; 1 Тел. 89184107955; E-mail: serga-georgy@mail.ru 2 Тел. 89184480082; E-mail: alnikkss@gmail.com 1 2

РОТОРНО-ВИНТОВЫЕ СИСТЕМЫ В МАШИНОСТРОЕНИИ ДЛЯ ОТДЕЛОЧНО-ЗАЧИСТНОЙ И УПРОЧНЯЮЩЕЙ ОБРАБОТКИ Актуальность и новизна нового направления в науке и технике, созданного в КубГАУ, подтверждается 46 патентами на изобретения Российской Федерации, требующие фундаментальных исследований, с целью сохранения приоритета России в данном научном направлении. Предложены рабочие органы (называемые нами роторно-винтовыми системами) станков для чистовой, упрочняющей обработки (Далее ОЗОО), которые не только преобразуют вращательное движение двигателя в колебательное движение обрабатываемых деталей и частиц рабочих сред (далее массовое нагружение) большой амплитуды без традиционных виброактиваторов, без колебаний самих рабочих органов, но и обеспечивают их транспортировку от загрузки к выгрузке. Ключевые слова: рабочий орган, роторно-винтовые системы, винтовые роторы, винтовые тела, винтовые барабаны, винтовые сита G. V. Serga, A. N. Sekisov ROTARY SCREW SYSTEMS IN MACHINE BUILDING FOR FINISHING-GRINDING AND HARDENING TREATMENT The relevance and novelty of the new direction in science and technology created in KubGAU is confirmed by 46 patents for inventions of the Russian Federation that require fundamental study, in order to preserve Russia's priority in this scientific direction. Working bodies (called rotary-screw systems by us) of machine tools for finishing, hardening processing (hereinafter OZOO) are offered, which not only convert the rotational motion of the engine into oscillatory movement of the processed parts and particles of working media (hereinafter mass loading) large amplitude without traditional vibroactivators, without oscillations of the working bodies themselves, but also ensure their transportation from loading to unloading. Keywords: working body, rotary screw systems, screw rotors, screw bodies, screw drums, screw sieves

В машиностроении, для выполнения отделочно-зачистной и упрочняющей обработки (в дальнейшем ОЗУО), достаточно широко применяют вибрационные технологии с колебаниями масс загрузки 2-15 мм и галтовочные устройства. Следствием этого являются: значительные энергозатраты, ограниченные технологические возможности, сложность эксплуатации. Устранением этих недостатков может служить разработка и внедрение технологий и оборудования, у которого в качестве рабочих органов будут использоваться оригинальные конструкции роторно винтовых систем (винтовых роторов, винтовых корпусов, винтовых барабанов и винтовых решет) с горизонтальным расположением оси вращения, что позволит снизить энергозатраты, улучшить технико-экономические показатели. Существующие в настоящее время несовершенства процессов ОЗУО объясняются недостаточными исследованиями сущности и состояния научной проблемы повышения эффективности технологических процессов в оборудовании для ОЗУО на базе рабочих органов в виде винтовых роторов, винтовых корпусов, © Серга Г.В., Секисов А.Н. 2019

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

винтовых барабанов и винтовых решет. Нами предлагаются технологии с использованием оригинальных энергосберегающих роторно-винтовых систем, обеспечивающих более быстрое протекание технологических процессов с высокими технико-экономическими показателями. Для создания прогрессивного энергосберегающего технологического процесса производства для ОЗУО, базирующегося на технологиях и машинах высшего класса (по классификации академика Л.Н. Кошкина) предлагается оборудование на базе роторно-винтовых систем [1-5]. В ходе исследований применялись методы теории подобия и размерностей, с использованием безразмерных кинематических функций. Проведены аналитические исследования физических явлений, происходящих в зоне контакта частиц масс загрузки, при их продольном перемещении в рабочих органах. Винтовые поверхности и винтовые канавки, расположенные в рабочих органах в виде роторно-винтовых систем, способствуют перемещению и увеличению интенсивности взаимодействия частиц масс загрузки друг с другом и с винтовой поверхностью рабочего органа. Это позволяет не только создать энергосберегающие технологии и влиять на характер движения частиц масс загрузки, но и расширить технологические возможности, повысить интенсивность теплообмена, упростить эксплуатацию оборудования для ОЗУО, сократить габариты по длине, уменьшить их массу, снизить энергозатраты. Так как потребность в новых рабочих органах станков для ОЗУО достаточно велика, то их внедрение в машиностроении позволит решить одну из проблем технического оснащения предприятий машиностроительного комплекса. Это обеспечит развитие принципиально новой концепции производства станков для ОЗУО в России. В настоящее время в технической литературе отсутствуют методы расчета основных параметров роторно-винтовых систем - рабочих органов оборудования станков для ОЗУО, отсутствуют методики назначения рациональных параметров осуществления технологических процессов, отсутствуют методы выбора конструкции в зависимости от вида и размеров частиц масс загрузки, технологических задач и требований производительности, основы расчета конструктивных параметров и технология их изготовления, что сдерживает развитие принципиально новой концепции производства станков для ОЗУО в России. Аналогов таких технологий и оборудования в мире нет. Это новое направление в науке и технике, принципиально новые рабочие органы станков для ОЗУО. Это принципиально новые энергосберегающие технологии и оборудование. Научная новизна заключается в разработке теории и исследовании механизма придания потокам частиц масс загрузки движения в роторно-винтовых системах и создание основ расчета конструктивных параметров рабочих органов станков для ОЗУО, их внедрение на предприятиях машиностроительного комплекса, что позволяет решить одну из проблем - фундаментальных основ разработки его технического оснащения. Актуальность и новизна исследования подтверждена 46 патентами на изобретения, патентообладатель - ФГБОУ ВО «Кубанский государственный аграрный университет имени И.Т. Трубилина», некоторые из них представлены в работах [1-5]. Чтобы внедрить созданные станки для ОЗУО, проведены аналитические исследования явлений, происходящих в зоне контакта частиц масс загрузки, с

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

помощью методов теории подобия и размерности с использованием аппарата безразмерных кинематических функций, которые позволяют сопоставить соответствующие изучаемые величины. Решение этой задачи позволяет создать основы расчета конструктивных параметров и технологию изготовления рабочих органов в виде роторно-винтовых систем для ОЗУО. Возможность движения частиц масс загрузки в предлагаемых рабочих органах оборудования реализуется за счет оформления их винтовыми поверхностями и винтовыми линиями по наружному периметру и винтовыми канавками по внутреннему периметру [6- 12]. Для определения конструктивных параметров и определения скорости продольного перемещения масс загрузки и требуемой длины рабочего органа в форме винтового барабана, винтового ротора, винтового корпуса и винтового решета в результате исследования процесса движения потоков частиц масс загрузки, анализа математических моделей и исследования конструктивных особенностей методами теории подобия и размерности с использованием аппарата безразмерных кинетических функций, разработана математическая модель движения частиц масс загрузки в винтовом барабане, винтовом роторе, винтовом корпусе и винтовом решете. В модели учтены условия взаимодействия частиц масс загрузки между собой и со стенками винтового барабана, винтового ротора, винтового корпуса и винтового решета (в дальнейшем рабочих органов роторно-винтовых систем); воздействие скорости вращения рабочих органов роторно-винтовой системы; масса обрабатываемых деталей и масса частиц рабочей среды; коэффициента заполнения рабочего органа роторно-винтовой систем обрабатываемыми деталями; основные конструктивные параметры винтового барабана, винтового ротора, винтового корпуса и винтового решета; геометрия поперечного сечения, шаг и направление винтовых линий, определяющих расположение винтовых поверхностей по периметру рабочих органов роторно-винтовой системы. Для наглядности, на рис. 1 представлены некоторые разновидности рабочих органов роторно-винтовых систем станков для ОЗУО, выполненные с помощью программного комплекса «Компас-ЗD».

а) Конический с треугольным периметром

б) Выпуклый с треугольным периметром

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

в) Цилиндрический с треугольным периметром Рисунок 1. Примеры наглядного изображения рабочих органов роторно-винтовых систем станков для ОЗО Для определения технологических параметров процессов ОЗУО с помощью аппарата безразмерных кинематических функций проведен анализ физических явлений при контакте обрабатываемых деталей с частицами рабочих сред. Разработана и предложена технология изготовления винтовых барабанов, винтовых роторов, винтовых корпусов и винтовых решет для единичного, серийного и массового производства, а также классификация рабочих органов станков для ОЗУО. На скорость продольного перемещения масс загрузки в рабочих органах роторно-винтовых систем могут существенное влияние оказывать явления «увлекаемости массы загрузки» стенками вращающегося рабочего органа роторновинтовой системы. Установившийся процесс реального движения частиц среды и деталей можно считать в некотором смысле «взвешенным», сопровождающимся контактными явлениями, где давление в нижней части вращающегося рабочего органа роторновинтовой системы будет выше по сравнению с «верхними слоями». При этом, можно считать, что вся засыпаемая m – масса в рабочий орган как-то равномерно при его вращении распределена по его 𝑉р.к. – объему. Пусть Р = Р1 ∙ 𝑁1 + Р2 ∙ 𝑁2 – вес данной засыпаемой массы, где 𝑃 = 𝑚 ∙ 𝑔, Р1 = 𝑚1 ∙ 𝑔, Р2 = 𝑚2 ∙ 𝑔, 𝑁1 и 𝑁2 – соответственно количества m1, и m2 засыпаемых моделируемых материальных точек (шаров), где пусть с целью упрощения 𝛾1 = 𝛾2 = 𝛾 – удельный вес их материала. Тогда P вес можно представить, с другой стороны, в виде: 𝑃 = 𝐾3 ∙ 𝛾 ∙ 𝑉𝑚 ,

(1)

где К3 – коэффициент плотности засыпки m – массы в объем Vm: 𝜋 К3 = – вытекает из условия соотношения объемов, занимаемых каждым из 6 шаров к соответствующим объемам кубов, в которые они вписаны; 4 𝑉ш – объем шара равен 𝑉ш = 3 ∙ 𝜋 ∙ 𝑟ш3 ; 𝑉к – объем куба равен 𝑉к = (2 ∙ 𝑟ш )3 : 4 3 𝑉ш 3 ∙ 𝜋 ∙ 𝑟ш 𝜋 𝐾3 = = = . (2 ∙ 𝑟ш )3 6 𝑉к Если отнести Р к 𝑉р.к. – объему рабочего органа, то получим так называемый

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

условный удельный вес взвешенных Р1 , Р2 – частиц 𝛾усл. : 𝛾усл. =

𝑃 𝑉р.к.

𝜋

𝑉𝑚

𝑉р.к.

= ∙𝛾∙

(2)

где очень важно то обстоятельство, что фигурирует соотношение

𝑉ш 𝑉р.к

– объемов,

необходимое для моделирования функциональных зависимостей. С учетом того, что наибольшая высота «статического» воображаемого условного давления у≈ 2∙r, то с учетом этого 𝑃усл. = 2 ∙ 𝛾усл. ∙ 𝑟, (3) где 𝑃усл. – моделируемое давление в точке захвата. Здесь так же, как и выше, необходимо внести некоторый эмпирический коэффициент 𝐾𝑐 = 𝐾(𝜔) согласования, согласующий реальное давление с моделируемым, и тогда подставляя (2) в (3), получим: 𝜋 𝑉 𝑃усл. = 3 ∙ 𝑗 ∙ 𝑟 ∙ 𝐾𝑐 ∙ 𝑉𝑚 . (4) р.к.

Теперь можно представить явление «увлекаемости», например, m1 – материальной точки стенками рабочего органа силой «условного ее выталкивания вверх», отнесенной к площади ее поперечного сечения (m1 - шар, где 𝑆1 = 𝜋 ∙ 𝑟12 ─ площадь поперечного, сечения). Если еще учесть тот фактор, что «увлекаемая масса» будет «проскальзывать» относительно стенок рабочего органа, то эту силу Р1 можно представить так: 𝜋

𝑉

𝑃1 = 𝜇 ∙ 3 ∙ 𝑗 ∙ 𝑟 ∙ 𝐾𝑐 ∙ 𝑆1 ∙ 𝑉𝑚

р.к.

(5)

где μ1 – коэффициент проскальзывания шаров по стенкам рабочего органа. Итак, выражение (5) представляют (как мы убедимся ниже) одно из схематических моделирований массовых сил, где вводимые 𝐾𝑐 , 𝐾в – коэффициенты на самом деле должны быть сложными функциями определенной природы. Заметим, 𝑉 что в соотношении (5) вместо 𝑉𝑚 (как правильнее было бы считать): р.к.

𝑉

𝐾𝑣 = 𝐾𝑣 (𝑉𝑚 ), р.к.

где v – индекс у 𝐾𝑣 – коэффициента указывает на природу его образования. Моделируем μ2 – коэффициента трения скольжения: Известна общая форма 𝜇 = 𝑎 + 𝑏 ∙ 𝜎𝐾 + 𝑐 ∙ 𝜎𝐾2 , где: 𝜎𝐾 = √

(6)

|𝑁| ∙ 𝐸пр. 1 1 ( + ) ̂2 𝑟1 𝑟2 В

̂ 2 = 𝜓 ∙ 𝑟2 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡, 𝑟 – радиус m2. В нашем случае сила N – сила взаимодействия, В взаимодействия представлена ψ = 0,9 – коэффициент пропорциональности, а поэтому с учетом этого (6) запишем в виде: 𝜇2 = 𝜇20 + 𝑏2 ∙ 𝜑̇ + 𝐶2 ∙ 𝜑̇ 2 , где 𝑏2 , 𝐶2 – коэффициенты достаточно малы.

(7)

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

Итак, нам удалось построить математические модели контактных сил трения, сил увлекания массы стенками рабочего органа (эти силы выше мы назвали массовыми), в которых особая роль отводится 𝐾в , 𝐾с – эмпирическим коэффициентам, которые должны быть установлены из реального соотношения сил (массовых сил), действующих на каждую из обрабатываемых деталей. К этому следует добавить, что условие 𝜌 = 𝑟 = 𝑟ср = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡 является достаточно сильным загрублением, так как 𝜌 = 𝜌(𝑎) – довольно сложная геометрическая характеристика. 𝑉 Говоря вообще, соотношение 𝐾в , 𝐾с , 𝑃𝑚 , 𝜔, 𝑉𝑚 , 𝑟(𝑎) должно при правильном их р.к.

подборе определять соответствие моделируемого процесса условного движения реальному, и процесс можно регулировать путем поочередного варьирования одних из них и фиксирования других. Так, например, если 𝐾в , 𝐾с – достаточно малы, то это означает пренебрежение массовыми силами, и при интегрировании второго уравнения системы дифференциальных уравнений [13].





2  m  r  r    Fr ,        m  r    2  r    F   

( 8)

мы находимся в условиях: 𝜑̇2

𝑔

≅ С − 𝑟 ∙ 𝑠𝑖𝑛 𝜑, (9) 2 где выбор C=C(ω, φ0) – постоянной может оказаться неудовлетворительным с точки зрения соответствия реальному значению 𝜑̇ . Мало того, при одинаковом захвате 𝜋 массы, т. е. при 𝜑0 = − 2 , если непрерывно уменьшать ω – угловую скорость вращения рабочего органа, то моделируемое условное движение не будет обеспечено с энергетической точки зрения. m1 – материальная точка так и не достигнет верхнего положения рабочего органа, т. 𝜋 е. условие 𝜑 = 2 не будет обеспечено. 𝜋

В данном случае это уже будет при 𝜔 = 4 С , например, при снижении количества оборотов до n=120 об/мин. Если при этом «добиваться выполнения 𝜋 энергетики», увеличивая 𝜑0 – начальное значение, то при 𝜑 = − 2 , 𝜑̇ > 𝜔 уже будет согласно (9). Таким образом, массовые силы необходимо не только просто учитывать, но и V функционально представить, выделяя, например, фиксированные ω, V m и варьируя с р.к.

r(a), Kв, Kc – функциональными зависимостями. Этот процесс достаточно сложен и опирается на ряд экспериментальных характеристик. Найдем величину 𝐹𝜑 – проекции. Согласно принятой модели ̃1 массы будет направлена вверх параллельно оси «выталкивающая сила» увлекания Р Y и, суммируясь силой тяжести, дает величину проекции на Y – направления ̅1 − Р1 ) т. е. равную разности этих сил (рисунок 1). Очевидно, что на направление (Р 𝜑̅ мы имеем ̃1 − Р1 ) ∙ 𝑐𝑜𝑠 𝜑 = −(Р1 − Р ̃1 ) ∙ 𝑐𝑜𝑠 𝜑, (Р если учесть величину силы трения, то:

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

̃1 ) ∙ 𝑐𝑜𝑠 𝜑 + 𝐹тр1,2 , 𝐹𝜑 = −(Р1 − Р с учетом ρ = r = const второе уравнение системы (8) принимает вид: ̃1 ) ∙ 𝑐𝑜𝑠 𝜑 + 𝐹тр1,2 𝑚1 ∙ 𝑟 ∙ 𝜑̈ = −(Р1 − Р (10) где 𝑃1 = 𝑚1 ∙ 𝑔. Это уравнение еще можно переписать в виде (с учетом (4), (5) – зависимостей): 𝜑̈ = −[𝐾0 − 𝐾1 ] ∙ 𝑐𝑜𝑠 𝜑 + 𝐾2 ∙ ( 𝜇20 + 𝑏2 ∙ 𝜑̇ + 𝐶2 ∙ 𝜑2 ) ∙ 𝜑2 которая получена: ̃1 ) ∙ 𝑐𝑜𝑠 𝜑 + 𝐹тр1,2 ; 𝑚1 ∙ 𝑟 ∙ 𝜑̈ = −(Р1 − Р 𝜋

(11)

𝑉

𝑚1 ∙ 𝑟 ∙ 𝜑̈ = − (𝑚1 ∙ 𝑔 − 𝜇1 ∙ 3 ∙ 𝑗 ∙ 2 ∙ 𝐾𝑐 ∙ 𝑆1 ∙ 𝑉𝑚 ) ∙ 𝑐𝑜𝑠 𝜑 − 𝜇2 ∙ 𝑃𝑚 ∙ 𝑁; р.к.

𝜋

𝑉𝑚

𝑉р.к.

𝑚1 ∙ 𝑟 ∙ 𝜑̈ = − (𝑚1 ∙ 𝑔 − 𝜇 ∙ ∙ 𝑗 ∙ 2 ∙ 𝐾𝑐 ∙ 𝑆1 ∙ 𝜋

) ∙ 𝑐𝑜𝑠 𝜑 + 𝜇2 ∙ 𝑃𝑚 ∙

𝑚1 ∙𝑚2 𝑚1 +𝑚2

∙ 𝐾𝑏 ∙ 𝑟 ∙ 𝜑̇ 2 ;

𝑉

𝑚1 ∙ 𝑟 ∙ 𝜑̈ = − (𝑚1 ∙ 𝑔 − 𝜇1 ∙ 3 ∙ 𝑗 ∙ 2 ∙ 𝐾𝑐 ∙ 𝑆1 ∙ 𝑉𝑚 ) ∙ 𝑐𝑜𝑠 𝜑 + (𝜇20 + 𝑏2 ∙ 𝜑̇ + 𝐶2 ∙ 𝜑̇

𝑚1 ∙𝑚2

∙ 𝑃𝑚 ∙ 𝑚

1 +𝑚2

𝜑̈

р.к.

∙ 𝐾𝑏 ∙ 𝑟 ∙ 𝜑̇ ; 𝑔

= − (2 −

𝜋 𝑉 𝑀1 ∙ ∙𝑗∙𝐾𝑐 ∙𝑆1 ∙ 𝑚 3

𝑉р.к.

𝑚1

) ∙ 𝑐𝑜𝑠 𝜑 + (𝜇 + 𝑏2 ∙ 𝜑̇ + 𝐶2 ∙ 𝜑̇ 2 ) ∙ 𝑃𝑚 ∙ 𝑚

𝑚2 1 +𝑚2

∙ 𝐾𝑏 ∙ 𝜑̇2 ;

обозначим: 𝐾0 =

𝑔 ; 𝐾1 = 2

𝑉 𝜋 𝜇1 ∙ 3 ∙ 𝑗 ∙ 𝐾𝑐 ∙ 𝑆1 ∙ 𝑉𝑚

р.к.

𝑚1

;

𝑚2 ∙𝐾 . 𝑚1 + 𝑚2 𝑏 В формуле (11) желательно представить разность (К1 – К0 ) в виде: 𝐾2 = 𝑃𝑚 ∙

𝑔

(К1 – К0 ) = −(1 − 𝜇̂ 1 ) ∙ , 𝑟

(12)

где К0 (

К1 К1 𝑔 К1 − 1) = −К0 − (1 − ) = − ∙ (1 − ) = К0 К0 𝑟 К0 𝑔

= − 𝑟 ∙ (1 −

𝜋 𝑉 𝜇1 ∙ ∙𝑗∙𝐾𝑐 ∙𝑆1 ∙ 𝑚 3

𝑉р.к.

𝑚1 ∙𝑔

где обозначим 𝜇̂ 1 = К1 . 0

𝑔

∙ 𝑟) = −(1 − 𝜇̂ 1 ) ∙ 𝑟 ,

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

Рисунок 2. Схема сил действующих на точку M1 1

Исходя из того, что К0 = ∙ 𝑔 – реальный коэффициент от силе тяжести, 2

К2 = −

𝑚2 ∙𝑃 ∙𝐾 . 𝑚1 + 𝑚2 𝑚 𝑏

Заметим, что если Pm = Pm (φ) – вероятный коэффициент будет как-то усреднен, то слагаемое правой части (11) от контактных сил окажется зависимым dφ только от φ̇ = dt , которая в свою очередь входит и в выражение:

VZ  r  tgj    C  0

(13) Представление (12) выбрано в таком виде не случайно: нужно иметь в виду, что реальная продольная скорость перемещения обрабатываемых деталей составляет порядок единиц (мм/с), т. е. достаточно мала по сравнению с угловыми скоростями ω – вращений рабочего органа, а поэтому должно быть 𝜇̂ 1 = 1, т. е. 1 − 𝜇̂ 1 , должно 1 иметь величину достаточно малого порядка и тем более с учетом 2 ∙ 𝑔 – множителя. С другой стороны, коэффициент «увлекания массы» 𝜇̂ 1 – можно рассматривать как некоторый «условный коэффициент трения», зависящий от геометрии стенок, 𝑉 угловой скорости вращения рабочего органа, соотношения объемов 𝑉𝑚 материала р.к.

массы, сыпучести в спокойном состоянии, размеров частиц – материальных точек, размеров поперечного сечения рабочего органа, обработки поверхности и других физико-химических свойств достаточно сложной природы. Поэтому, с учетом вида (5), есть смысл представить 𝜇̂ 1 в следующей функциональной форме: 𝜇̂ 1 ≈ 𝜇0 −

𝜋 𝑟 ∙ 𝜇10 ∙ 𝑆1 ∙ ∙ 𝑗 ∙ 𝐾𝑐 ∙ 𝐾𝑣 3 𝑃1

или

Прогрессивные технологии и системы машиностроения 𝜋

𝑟

№ 4(67)’2019 𝑉

𝜇̂ 1 ≈ 𝜇0 − 3 ∙ 𝜇10 ∙ 𝑆1 ∙ 𝑃 ∙ 𝑗 ∙ 𝐾𝑐 (𝜔) ∙ 𝐾𝑉 (𝑉𝑚 ),

(14)

р.к.

где 𝜇0 – некоторый статический коэффициент состояния трения покоя; 𝜇10 – некоторый коэффициент трения скольжения нетрудно видеть из (5) выражения, что при увлечении стенками рабочего органа – плоскостями 𝑟2 = ∞, 𝜎𝐾 ≈ 0, а поскольку в этом случае 𝜇10 ≈ с𝑜𝑛𝑠𝑡, т.е. 0,07 ≤ 𝜇10 ≤ 0,15; 𝑆1 = 𝜋 ∙ 𝑟1 ; 𝑃1 - вес шара радиуса r; j – его удельный вес. Параметры 𝜇0 , 𝐾𝑐 , 𝐾𝑣 предназначены «приблизить» условный, моделируемый, процесс к реальному. О последних двух коэффициентах следует говорить особо, чего мы коснемся ниже. Заметим, что в определенной мере от коэффициентов 𝑉

𝐾𝑐 (𝜔), 𝐾𝑉 (𝑉𝑚 ) зависит коэффициент 𝐾𝑏 в выражении (11), т.е. 𝑃𝑚 – коэффициент, р.к.

где где коэффициент 𝐾𝑏 также зависит от геометрии профиля поперечного сечения рабочего органа: порядок К2 – коэффициента, очевидно, должен соответствовать порядку разности К1 – К0 (выше, может быть, еще и допускается, а ниже нет, т.к. нарушается общее требование к порядку скорости продольного перемещения). Так как предполагаемые порядки слагаемых правой части (11) –уравнения достаточно малы (и с учетом загрубления 𝜌 = 𝑟 = с𝑜𝑛𝑠𝑡) при интегрировании (11) положим 𝑏2 , 𝐶2 ≈ 0, т. е. запишем: 𝜑̈ ≈ (𝐾1 − 𝐾0 ) ∙ 𝑐𝑜𝑠 𝜑 + 𝐾2 ∙ 𝜇20 ∙ 𝜑̇ 2 .

(15)

Однако, несмотря на «простоту вида», (14) может быть проинтегрировано методом последовательных приближений, где в данном случае достаточно остановиться на первом приближении для 𝜑̇ ≈ 𝜑̇ (1) , полагая 𝜑̇ (0) = 𝜑̇ 0 = 𝜔 в качестве начального, (нулевого) приближения. Имеем: 𝜑̈ ≈ 𝜑̇ (1) ≈ (𝐾1 − 𝐾0 ) ∙ 𝑐𝑜𝑠 𝜑 + 𝐾2 ∙ 𝜇20 ∙ 𝜔2 .

(16)

Умножая левую и правую части (16) соответственно: 𝜑̈ ≈ 𝜑̇

(1)

𝑑𝜑(1) = , 𝑑𝑡

сокращая на dt в знаменателе и интегрируя, запишем: 𝜑̇2 2

≈

[𝜑̇ (1) ] 2

= С(1) + (𝐾1 − 𝐾0 ) ∙ 𝑠𝑖𝑛 𝜑 + 𝐾2 ∙ 𝜇20 ∙ 𝜔2 ∙ 𝜑, 𝜋

где С(1) – определяется из начальных условий 𝜑̇ 0 = 𝜔, 𝜑0 = − 2 . Окончательно зависимость:

для

последующего

анализа

получим

приближенную

φ̇ ≈ √[1 + μ20 ∙ К2 ∙ (π + 2φ)] ∙ ω2 + 2(K1 − K 0 ) ∙ (1 + sin φ).

(17)

Вставляя (17) в (13) и аналогично определяя условия, имеем (Vz = 0): Vz ≈ r ∙ tgj ∙ {−ω + √[1 + μ20 ∙ К2 ∙ (π + 2φ)] ∙ ω2 + 2(K1 − K 0 ) ∙ (1 + sin φ)}, (18)

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

где (12), (14) – выражения представляют значения коэффициентов.

Итак, нами получены приближенные зависимости для определения скорости продольного перемещения Vz масс загрузки в рабочем органе в виде винтового ротора. В силу сказанного выше нетрудно видеть, что для дальнейшего исследования зависимостей (17), (18), их интегрирования при заданном π ≤ ω ≤ 4π – диапазоне изменения (интересующем нас диапазоне) подкоренное выражение удобно разлагать в ряд относительно ω2, где, возможно, достаточно ограничиться только линейными числами. В результате проведенных исследований спроектировано, изготовлено и внедрено ряд станков на базе роторно-винтовых систем, один из которых представлен на рис. 3.

Рисунок 3. Станок непрерывного действия для ОЗУО При работе станка с помощью средства для загрузки 2 непрерывным потоком загружаются детали 3. Частицы рабочей среды 4 движутся внутри рабочего органа 1 и вместе с деталями 3 к выходному люку 6 и на транспортер. В процессе движения обрабатываемых деталей 3 и частиц рабочей среды 4 внутри рабочего органа частицы рабочей среды 4 и отходы обработки 7 выводятся через отверстия 8 из рабочего органа 1 внутрь наружного барабана 5. При этом диаметр отверстий 8 меньше размеров деталей 3, но больше гранул рабочих сред 4.

Рисунок 4. Схема движения обрабатываемых деталей и частиц рабочих сред в станке непрерывного действия для ОЗУО на базе роторно-винтовой системы

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

Винтовыми направляющими 9, частицы рабочих сред 4 и отходы обработки 7 движутся в обратном направлении внутри барабана 5. Отходы обработки 7 посредством отверстий 10, перемещаются в полость кожуха 11 и затем в камеру 12. Диаметр отверстий 10 меньше частиц рабочих сред. Затем рабочая среда с помощью винтовых направляющих 9, попадает в средство перегрузки 13, с помощью которого передается внутрь рабочего органа 1, где встречаясь с подлежащими обработки деталями, поступающими внутрь рабочего органа, обрабатывают их. Подача интенсифицирующих и моющих растворов осуществляется через патрубки кожуха 11. На рис. 5 представлена фотография станка непрерывного действия для ОЗУО, а на рисунок 6-фотография наружного барабана с смонтированным внутри винтовым ротором, средством для перегрузки, а по наружному периметру- кожухом.

Рисунок 5. Станок непрерывного действия для ОЗУО на базе роторновинтовой системы

Рисунок 6. Наружный барабан со стороны выходного люка станка непрерывного действия для ОЗУО на базе роторно-винтовой системы

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

Опыты показали, что станок может в час обработать непрерывным потоком 28 тонн деталей, при этом минимальный размер деталей 30 мм -максимальный 300мм, при чем масса станка достигает 10 т, а габаритные размеры в метрах 9х3.2х3. При работе станка используют интенсифицирующие растворы с нагревом до 600. Выводы Предложены рабочие органы станков для отделочно-зачистной и упрочняющей обработки непрерывным потоком в виде роторно-винтовых систем. Представлены наглядные изображения рабочих органов и один из созданных станков. Роторно-винтовые системы могут быть использованы в машиностроении для металлообработки не только для ОЗУО [1-5], но и для нанесения покрытий на поверхность деталей [2], а также в машиностроении для строительной индустрии [14], для других отраслей промышленности [15] и для сельского хозяйства [16]. ЛИТЕРАТУРА: 1. Пат. 2672974 Российская Федерация, МПК В24В 31/023. Устройство для отделочно-упрочняющей обработки / В. А. Лебедев, Г. В. Серга, И. В. Давыдова, С. Ю. Штынь; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Донской государственный технический университет. – № 2017144229; заявл. 18.12.2017; опубл. 21.11.2018, Бюл. № 33. 2. Пат. 2519398 Российская Федерация, МПК В24В 31/02. Станок для химикоотделочно-упрочняющей обработки деталей / Г. В. Серга, В. В. Иванов, В. А. Лебедев, В.В.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Кубанский государственный аграрный университет». – № 2013106597/02; заявл. 14.12.2013; опубл. 10.06.2014, Бюл. № 16. 3. Пат. 2528291 Российская Федерация, МПК В24В 31/02. Устройство для отделочно-упрочняющей обработки / Г. В. Серга, В. А. Лебедев, В. В. Иванов; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Кубанский государственный аграрный университет». – № 2013106599/02; заявл. 14.02.2013; опубл. 10.09.2014, Бюл. № 25. 4. Пат. 2572685 Российская Федерация, МПК В24В 31/02. Устройство для отделочно-зачистной обработки / А. Ю. Марченко, А. Н. Иванов, В. А. Лебедев, В. В. Иванов, Г. В. Серга; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Кубанский государственный аграрный университет». – № 2014129160/02; заявл. 15.07.2014; опубл. 20.01.2016, Бюл. № 2. 5. Пат. 2430825 Российская Федерация, МПК В24В 31/06. Устройство для отделочно‒зачистной обработки / К. А. Белокур, Г. В. Серга; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Кубанский государственный аграрный университет».- № 2009144621/02; заявл. 01.12.2009; опубл. 10.06.2011, Бюл. № 16. 6. Lebedev, V. А. Increase of efficiency of finishing-cleaning and hardening processing of details based on rotor-screw technological systems / V.А. Lebedev, G.V. Serga , А.V. Khandozhko // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. Conf. Se-

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

ries: Materials Science and Engineering. – 2018, №327, 042062 doi:10.1088/1757899X/327/4/042062. 7. Lebedev, V. A. Method for calculating the power of a rotor-screw machines / V.A. Lebedev, G.V. Serga, I.V. Davydova, T.V. Atoyan, Irina G., Koshlyakova and A.V. Gordienko // MATEC Web Conf., 226 (2018) 01007 DOI: https://doi.org/10.1051/matecconf/201822601007 8. Lebedev, V. A. Main trends in intensification of rotor-screw processing of parts / V.A. Lebedev, G.V. Serga, I.V. Davydova, T.V. Atoyan, Irina G., Koshlyakova and A.V. Gordienko // MATEC Web Conf., 226 (2018) 01008 DOI: https://doi.org/10.1051/matecconf/201822601008. 9. Серга, Г. В. Внедрение идеологии Л. Н. Кошкина в виброупрочняющей технологии на примере винтовых роторов / Г. В. Серга, В. А. Лебедев // Вестник РГТУ им. П. А. Соловьева. – Рыбинск, 2017. – № 2(41). –С. 126-132. 10. Серга, Г. В. Повышение производительности технологических систем отделочно -зачистной и упрочняющей обработки на основе винтовых роторов / Г. В. Серга , К. А. Белокур, В. А. Лебедев, Д. Я. Яковлев // Научный журнал «Упрочняющие технологии и покрытия». – Москва, 2016. – № 4. – С. 23-25. 11. Серга, Г. В. Технологические особенности изготовления винтовых роторов для отделочно-упрочняющей обработки деталей / Г. В. Серга, К. А. Белокур, В. А. Лебедев, // Научно-технический и производственный журнал «Сборка в машиностроении, приборостроении». – Москва, 2016. – С. 8-11. 12. Серга, Г. В. Комплексные технолгии отделочно-зачистной и упрочняющей обработки деталей машин / Г. В. Серга, К. А. Белокур, Э, А. Хвостик // Машиностроение и техносфера ХХ1: сб. трудов междунар. Научно-техн. конф., Т. 1 / Донецк: ДНТУ, 2018. – С. 126-131. 13. Корн, Г. Справочник по математике / Г. Корн, Т. Корн. – М.: Наука, 1973. – 831 с. 14. Аleksandr Sekisov. Rotary-screw systems for rotary kils / Аleksandr Sekisov, Georgy Serga // E3S Web of Conferences, Topical Problems of Architecture, Civil Engineering and Environmental Economics (TPACEE-2018), France, 2019, Vol. 91, 02034. 15. Marchenko, A. Y. Creating A Methodology For Calculating The Drive Of The Working Parts Of The Equipment Based On The Original Screw Sieves, Screw Housings And Screw Drums / A. Y. Marchenko, G. V. Serga // Research journal of pharmaceutical biological and chemical sciences. Volume: 10. Issue: 1. P: 1689-1696. Publ: JAN-FEB 2019. https://www.rjpbcs.com/pdf/2019_10(1)/[219].pdf. 16. Пат. 2535946 Российская Федерация, МПК В24В A01D41/00. Зерноуборочный комбайн прямоточный / Г. В. Серга, В. Д. Таратута; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Кубанский государственный аграрный университет». – № 2013136483/13; заявл. 01.08.2013; опубл. 20.12.2014, Бюл. № 35. Поступила в редколлегию 13.05.2019 г.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

УДК 621.833 М. Т. Таращанский, к.т.н., доцент, Д. В. Малый, к.т.н., доцент, Е. Ю. Чалая, ст. преподаватель Луганский национальный университет им. В. Даля, Луганск, ЛНР. Тел./Факс: +38(099)9259034, E-mail: elena_chalaya@mail.ru ЧИСЛЕННЫЙ СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ АРОЧНЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ С ИСХОДНЫМИ КОНТУРАМИ РАЗЛИЧНЫХ СИСТЕМ ЗАЦЕПЛЕНИЯ В статье рассматриваются вопросы, необходимые для решения основных задач синтеза и анализа передач смешанного зацепления с арочными зубьями, нарезаемыми круговыми резцовыми головками, по значениям критериев работоспособности. Построена система критериев работоспособности круговых арочных передач смешанного зацепления для головки и ножки шестерни и колеса соответственно. Доказано преимущество передач этого класса перед традиционными аналогами. Ключевые слова: арочные передачи смешанного зацепления, геометрокинематические критерии, приведенная кривизна, исходный контур, синтез, анализ. M. T. Tarashchanskii, D. V. Maliy, E. U. Chalaya NUMERICAL COMPARATIVE ANALYSIS OF ARCH CYLINDRICAL GEARS WITH THE ORIGINAL CONTOURS OF THE VARIOUS SYSTEMS OF GEARING The article deals with the issues necessary to solve the main problems of synthesis and analysis of mixed gearing with arched teeth, cut circular cutter heads, according to the values of performance criteria. A system of criteria for the performance of circular arched teeth of mixed gearing for the head and leg of the gear and wheel, respectively. The advantage of transmission of this class over traditional analogues is proved. Keywords: arched transmission mixed mesh, geometrodynamics criteria, given by the curvature, the contour of the original, synthesis, analysis.

Актуальность задачи. Работоспособность и экономические показатели современных машин в различных отраслях в существенной мере зависят от показателей работоспособности зубчатых приводов. Создание зубчатых передач с высокими критериями работоспособности обеспечивает совершенствование не только приводов, но и машин в целом, и это актуально для современного машиностроения. Целью совершенствования зубчатых приводов является повышение их нагрузочной способности без увеличения массогабаритных показателей. Арочные цилиндрические зубчатые передачи в полной мере удовлетворяют выдвигаемым требованиям, однако недостаточная изученность некоторых аспектов такого вида зацепления приводит к потере больших скрытых резервов их нагрузочной способности и надежности. Наиболее распространенными методами нарезания арочных зубьев являются методы, основанные на использовании круговых резцовых головок с резцами, спрофилированными в соответствии с принятым исходным контуром (ИК). В современном машиностроении для профилирования резцов используются исходные контуры, очерченные прямыми [1, 2] и дугами окружностей [3, 4]. Арочные передачи с зубьями, образованными исходным контуром, геометрия которого синтезирована по значениям критериев работоспособности, были исследованы в работах [4, 5, 6]. Однако здесь не рассмотрены арочные передачи смешанного зацепления [7], которое не имеет присущих внеполюсным зацеплениям кинематических и технологических ограничений. В работе [8] рассмотрена геометрия арочной зубчатой передачи смешанного зацепления. Однако, зависимости, полученные в этой работе, нельзя применить © Таращанский М. Т., Малый Д.В., Чалая Е. Ю.;. 2019 93

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

без дополнительных преобразований к арочным передачам с круговыми зубьями. Наиболее целесообразным путем повышения технического уровня зубчатых передач является синтез геометрии ИК по критериям их работоспособности. Цель статьи – построить математическое описание, необходимое для синтеза арочных передач смешанного зацепления по показателям качества; обосновать преимущества арочных передач смешанного зацепления перед традиционными аналогичными передачами с помощью численного сравнительного анализа по геометрокинематическим критериям работоспособности. В основе дальнейших исследований лежит обобщенный ИК (рис. 1а), представляющий собой профиль режущей кромки резца инструмента (в общем случае – несимметричный). Здесь f1, f 2 для головки зуба и Ф1, Ф2 для его ножки – произвольные, дифференцируемые функции, определяющие конфигурацию ИК. Их можно определить, решая соответствующие дифференциальные уравнения. Тем самым будет определена также и геометрия режущего инструмента.

Рисунок 1. Геометрия смешанного зацепления а – обобщенный исходный контур; б – продольная линия зуба Геометрия арочных зубьев определяется двумя основными кривыми: кривой, описывающей ИК (рис. 1а), и кривой, определяющей продольную линию зуба (рис. 1б). Будем считать, что линией зуба является окружность: x0 0, y0 Ru 1 cos , z0 Ru sin , где Ru – номинальный радиус резцовой головки, – параметр. Используя необходимый математический аппарат [9, 10], получены уравнения активных поверхностей круговых арочных зубьев, необходимые для определения показателей нагрузочной способности. Работоспособность зубчатых передач оценивается двумя группами критериев: комплексными и геометрокинематическими. Для качественной оценки работоспособности передач зацеплением используются комплексные критерии [4, 9, 10]. Рассмотрим подробнее вторую группу, характеризующую локально-кинематические и гидродинамические явления в зоне контакта (для головки и ножки зуба соответственно), и нагрузочную способность передач в целом. Скорость скольжения, если u – передаточное отношение: 2

Vск f

cos2

1 , Vск Ф

1 1 u Ф1

Ф1 Ф2

cos2

1 . (1)

Увеличение скорости скольжения ведет к усилению трения, увеличению по-

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

терь в зацеплении, к увеличению износа поверхностей зубьев, и как следствие уменьшению КПД передачи. Поэтому при синтезе ее значения должны быть сведены к минимальным. Скорости качения сопряженных поверхностей зубьев, если 1 – угловая скорость вращения шестерни, R1, R2 – радиусы начальных цилиндров: V1 f

1nf

f R1

f1 f

V2 f

1 n f u f R2

f2 ,

f1 f

f2 ,

Ф R1 Ф1 Ф Ф2 ,

V1Ф

1 nФ

V2Ф

1 nФ u Ф R2

Ф1 Ф Ф2 .

(2)

Суммарная скорость качения рабочих поверхностей: V f

1n f

f 2 Ri

f1 f

,V Ф

1nФ

Ф1 Ф Ф2

Ф 2 Ri

(3)

Эта скорость складывается из скоростей качения сопряженных поверхностей зубьев шестерни и колеса (2). При ее увеличении улучшаются условия контактирования зубьев. Приведенная кривизна активных поверхностей арочных зубьев: пр f

f 2 2f n f 3

пр Ф

2 n 3 Ф2 Ф Ф

f1 f

, f1 f

R2 Ф1 Ф Ф2

R1 Ф1 Ф Ф2

(4) .

Это – один из основных критериев работоспособности передач, зависящий от геометрии зацепления. Чем меньше приведенная кривизна, тем больше площадка контакта, тем меньше контактный износ. Она влияет на все комплексные критерии, в частности, на контактную прочность. Удельные скольжения зубьев шестерни и колеса: 1 1 u Ф1 Ф RiФ2 Ф1 Ф . (5) 1 1 u f1 f Ri f 2 f1 f , iФ if Верхний знак соответствует выпуклой стороне зуба, нижний знак – вогнутой. Эти критерии также зависят от геометрии зубьев, в частности от вида ИК. Их применяют для более объективной оценки приработки зубьев. При синтезе геометрии ИК их величины должны быть как можно меньше, так как иначе будут усиливаться трение, износ, уменьшаться КПД передачи. Угол между вектором скорости и направлением контактной линии: f

arctg

nf 1 f sin

cos

arctg

nФ Ф 1Ф sin cos

(6)

Этот критерий оказывает влияние на нагрузочную способность и формирование масляного клина между контактирующими поверхностями. Передачи с большим углом обладают более высокой нагрузочной способностью. Специальные обозначения, зависящие от геометрии зацепления: f1 f1 f 2 , 2f 1 f f2 , 2Ф 1Ф Ф2 , 1f 1Ф Ф1Ф1 Ф2 , nf f

n2 sin 2 f

f1 2 1

f 2 2 , nФ 1 f Kn f

Ф1 2 Ф2 2 , Knf

2 2f

cos2 , Ф

1 Ru 2 sin 2 nФ

f 2 , KnФ 1 Ru Ф2 . 1

1Ф KnФ

2Ф

2 cos2 ,

Прогрессивные технологии и системы машиностроения f

2 2 f cos

f2 1 f

arctg

2 1 f Kn f sin

nf 1 f sin

cos

, ,

2Ф cos

arctg

№ 4(67)’2019 2

2 1Ф K nФ sin

Ф2 1

nФ Ф 1Ф sin cos

Анализ полученных соотношений (1)-(6) с учетом ограничений параметров ИК показывает, что наиболее целесообразно осуществлять синтез новой геометрии по заданной приведенной кривизне, обеспечивая наименьшее ее значение в пределах поля зацепления. Тогда равенства (4) представляют собой дифференциальные уравнения, численное решение которых позволяет определить функции f 2 f1 , Ф2 Ф1 и их производные, а значит и производящую поверхность, которая обеспечивает заданный критерий работоспособности передачи. Необходимые для синтеза конструктивные и технологические ограничения приведены в табл. 1. Таблица 1. – Исходные данные для синтеза Радиусы начальных цилиндров шестерни и колеса Модуль в среднем нормальном сечении Количество зубьев шестерни и колеса Угол, соответствующий среднему сечению арки Приведенная кривизна Границы для независимых переменных Коэффициент перекрытия при 0 Толщина вершин зубьев рейки

mn 1 мм z1

z2 18 0 пр

1 Ф1 0,0

f1 1

1,2 Sa0 0,6

Полученный в результате синтеза несимметричный ИК (рис. 2) подвергаем численному сравнительному исследованию наряду с традиционными передачами.

Рисунок 2. Синтезированный несимметричный ИК. В качестве традиционного аналога выбрана квазиэвольвентная арочная передача, зубья которой нарезаны резцами с прямолинейными режущими кромками с 20o . Геометрические параметры, материал, термическая обпрофильным углом

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

работка всех анализируемых передач одинаковые. Численный анализ проводился по показателям работоспособности (1)-(6) и всем комплексным критериям работоспособности. Результаты анализа представлены ниже графиками на рисунках 3-6. На графиках по вертикальной оси расположены значения аргумента f1, Ф1 , по горизонтальной – значения анализируемых показателей качества. Графики были получены с учетом поля зацепления при фиксированных значениях угла 1 поворота шестерни. Значения угла 1 указаны в градусах рядом с соответствующими линиями. Численное теоретическое исследование было проведено для величины передаточного числа u 1 . На всех представленных ниже рисунках: а – для квазиэвольвентной передачи, б – для синтезированной передачи (несимметричный ИК). Результаты численного сравнительного анализа. Из анализа значений геометрокинематических критериев следует: 1. Значения скорости скольжения Vск при синтезе должны быть как можно меньше. Для синтезированной передачи (рис. 3б) этот критерий уменьшается на головке зуба в 1,1…1,3 раза, на ножке – в 1,1…1,4 раза по сравнению с традиционной передачей (рис. 3а). Следовательно, уменьшается трение, износ, потери в зацеплении.

Рисунок 3. Скорость скольжения. 2. Синтезированная передача (рис. 4б) имеет суммарную скорость на головке в 1,3…1,7 раза больше, на ножке в 1,5…2,6 раза больше, чем в зацеплении квазиэвольвентной передачи (рис. 4а). Это свидетельствует об улучшении условий контактирования зубьев. 3. Из анализа следует, что синтезированная передача (рис. 5б) имеет приведенную кривизну на головке зуба в 1,3…2,8 раза меньшую, на ножке в 2,3…7 раз меньшую, чем традиционная передача (рис. 5а) при тех же условиях. Это сказывается на увеличении контактной прочности и уменьшении износа. 4. Улучшения также наблюдаются и для удельных скольжений зубьев шестерни и колеса. 5. Следует отметить, что при однокритериальном синтезе невозможно добиться улучшения абсолютно всех критериев качества. Так в данном случае угол между вектором относительной скорости и направлением контактной линии показывает обратную динамику (рис. 6). А именно, на головке зуба значения угла для

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

Рисунок 4. Суммарная скорость качения.

Рисунок 5. Относительная приведенная кривизна анализируемых передач примерно равные. На его ножке для традиционной передачи (рис. 6а) значения угла в 1,2… 1,5 раз больше, чем для передачи смешанного зацепления (рис. 6б).

Рисунок 6. Угол между вектором скорости и контактной линией 6. Аналогично численный сравнительный анализ проведен для комплексных критериев работоспособности круговых арочных передач смешанного зацепления,

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

по результатам которого сделаны соответствующие выводы и даны рекомендации. Выводы. 1. Построена система критериев работоспособности арочных цилиндрических зубчатых передач смешанного зацепления. 2. Из проведенного численного анализа следует, что созданная на базе синтезированного ИК передача имеет значительные преимущества по сравнению с традиционными аналогами: по геометрокинематическим характеристикам это превосходство составляет в среднем 10-15%, по нагрузочной способности – 20-25%. 3. Наибольший эффект от применения смешанного зацепления наблюдается в основании зуба шестерни. Это связано с тем, что число зубьев близко к минимально допустимому, исходя из условия отсутствия подрезания. Повышение показателей работоспособности на зубьях колеса, напротив, незначительное по сравнению с шестерней. Поэтому наибольший эффект от применения смешанного зацепления ожидается в передачах с минимальным числом зубьев. ЛИТЕРАТУРА: 1. Гавриленко, В. А. Зубчатые передачи в машиностроении / Гавриленко В.А. – М.: Машгиз, 1962. – 532 с. 2. Литвин, Ф. Л. Теория зубчатых зацеплений / Ф.Л. Литвин. – М.:Изд-во «Наука», 1968. – 584 с. 3. Скляров, А. Е. Исследование цилиндрических передач с круговыми зубьями: дис. … канд. техн. наук: 05.02.02 / А.Е. Скляров – Ворошиловград, 1973. – 167 с. 4. Малый, В. В. Численный многокритериальный анализ арочных зубчатых передач с различными исходными контурами / В.В. Малый, Д. В. Малый // Вестник ЛНУ им. В. Даля. – Луганск, 2017. – №1(3), ч.1. – С. 66-71. 5. Вулгаков, Э. В. Зубчатые передачи с улучшенными свойствами / Э. В. Вулгаков. – М.: Машиностроение. 1974. – 264 с. 6. Шишов, В. П. Цилиндрические передачи с арочными зубьями (теория, анализ, синтез): монография / В.П. Шишов, П. Л. Носко, О. А. Ревякина – Луганск: Издво ВНУ им. В. Даля, 2004. – 336с. 7. Шишов, В. П. Геометро-кинематические показатели цилиндрических зубчатых передач с арочными зубьями / В. П. Шишов, П. В. Филь, О. А. Ревякина, А. А. Муховатый // Ресурсосберегающие технологии производства и обработки давлением материалов в машиностроении. Сб. научн. работ. – Луганск: Изд. ВНУ, 2001. – С. 193-200. 8. Шишов, В.П. Високонавантажені циліндричні передачі з двоопукловвігнутими зубцями / В.П. Шишов, П. Л. Носко, П. Н. Ткач, П. В. Филь. – Луганськ: СНУ ім. В. Даля. – 2005. 9. Чалая, Е. Ю. Арочные цилиндрические зубчатые передачи смешанного зацепления с улучшенными критериями работоспособности / Е. Ю. Чалая // Вестник ЛНУ им. В. Даля. – Луганск, 2017. – №1(3). – Ч.1. – С. 92-97. 10. Ткач, П. М. Геометрокінематичні критерії працездатності циліндричних аркових передач змішаного зачеплення з круговим зубом / П. М. Ткач, О. Ю. Чала // Вісник НТУ «ХПІ». Серія: Проблеми механічного приводу. – Х.: НТУ «ХПІ», 2014. – №31 (1074). – С. 163-168. Поступила в редколлегию 19.05.2019 г.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

УДК 621.85.05-034 Б. Г. Шахазизян, аспирант кафедры механики и машиноведения. Национальный политехнический университет Армении, Ереван, Армения. Тел./Факс: +374 (93) 822288; E-mail: bshahaziz@yahoo.com СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ И КЛАССИФИКАЦИЯ НАДЕВАЕМЫХ АССИСТИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ И МЕТОДОВ ИХ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ПРОЕКТИРОВАНИЯ В статье приведены общие сведения об ассистирующих устройствах двигательных функций человека: ортезах и экзоскелетонах их сравнительный анализ, статически уравновешенных одеваемых ассистирующих устройств для ходьбы и приседания человека, указаны их преимущества, недостатки и перспективы усовершенствования. Представлен обзор по классификации, эволюции и последних разработок реабилитационной и вспомогательной робототехники. Ключевые слова: ассистирующее устройство, реабилитационное устройство, экзоскелетон, ортез, статическое уравновешивание, динамическое моделирование. B. H. Shahazizyan COMPARATIVE ANALYSIS AND CLASSIFICATION OF SUPPORTING ASSISTANT DEVICES AND METHODS OF THEIR MODELING AND DESIGN Provides general information about the assisting devices of human motor functions: orthoses and exoskeletons and a comparative analysis of statically balanced clothing assisting devices for walking and squatting, their advantages, disadvantages and prospects for improvement. A review of methods for the classification, evolution and latest developments of rehabilitation and auxiliary robotics is presented. Keywords: assistance device, rehabilitation device, exoskeleton, orthosis, static balancing, dynamic modeling.

1. Введение Реабилитационные и вспомогательные роботы основаны на силовых экзоскелетонах (также известных как силовая броня, силовой костюм, экзофрейм, жесткий костюм или экзокостюм). Это носимые мобильные машины, приводимые в действие системой электродвигателей, пневматики, рычагов, гидравлики или комбинации технологий, обеспечивающие движение конечностей с повышенной силой и выносливостью. Ортез (греч. ορθός - прямой, равный) - медицинское приспособление, предназначенное для изменения структурных и функциональных характеристик нервномышечной и скелетной системы: разгрузки, фиксации, активизации и коррекции функций повреждённого сустава или конечности. Ортезы могут применяться также для: управления, направления, ограничения и/или обездвиживания конечности, сустава или части тела по определённой причине; ограничения подвижности в заданном направлении; помощи движению в целом; уменьшения с определённой целью силы, прикладываемой ногой для переноса веса тела; помощи при реабилитации от трещин костей после снятия гипса; коррекции формы и/или функции организма, с целью облегчения передвижения или уменьшения боли. Область разработки и применения ортезов как медицинское направление сочетает в себе знания анатомии и физиологии, патофизиологии, биомеханики и инжиниринга. Экзоскелетон (от греч. έξω - внешний и σκελετος - скелет) - это мобильная, носимая, роботизированная, электрифицированная или механизированная (меха© Шахазизян Б. Г.; 2019

100

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

тронная) структура, разработанная для компенсации (восполнения утраченных) физических возможностей пользователя, увеличения силы его мышц и расширения амплитуд движений за счёт наличия внешнего каркаса и приводных активных элементов. Экзоскелетоны также называют "носимыми роботами". Они служат для разгрузки скелета и мышц здорового человека, позволяя ему выполнять различный физический труд не уставая, либо усиливая физические возможности человека за пределами возможностей среднеразвитого человека. Экзоскелетоны используются также для восстановления утраченной мышечной активности человека после травм или операций, для восстановления подвижности людей с ограниченной мобильностью, для предупреждения травм при заболеваниях типа остеопороза и т.п. Экзоскелетоны, как правило, повторяют биомеханику человека для пропорционального увеличения усилий при движениях, а также могут повышать защищенность человека от внешних воздействий. В биомеханической (биомехатронной) системе человек-экзоскелетон часть функций, например, контроль и поддержание равновесия, остается за человеком, тогда как тяжесть груза или большие усилия, общая уравновешенность сегментов системы ложатся на механизм экзоскелетона. 2. Основное содержание и результаты работы Поскольку, как было уже сказано экзоскелетоны - это носимые роботы, то суть их проектирования в том, чтобы не пациент носил их, а наоборот, чтобы они несли пациента. Вот почему одной из важных задач проектирования ассистирующих устройств является уравновешивание биомеханических систем человекаэкзоскелетон. Ввиду того, что в большинстве случаев реабилитационные устройства проектируются для пациентов с ограниченными двигательными возможностями, то для уравновешивания биомеханических систем от гравитационных сил достаточно применение статических и квазистатических методов исследования экзоскелетонов. Решение задач при этом достигается применением противовесов, пружин, дополнительных параллельных механизмов, способов распределения масс звеньев и/или введением специальных уравновешивающих устройств. Как и во многих областях, первоначальная идея и развитие вспомогательной робототехники были также обусловлены огромным потенциалом ее военного применения, и проводимые научные исследования преследовали ту же основную цель. Экзоскелетон, в смысле мобильной машины, интегрированной с движениями человека имеет большой потенциал для медицинских применений, поэтому они начали разрабатываться и в медицинских лабораториях, поскольку они могут улучшить качество жизни людей, потерявших свои ноги, позволяя системную ходьбу. Экзоскелетоны начали разрабатываться также и для здоровых людей, особенно для работников промышленности, где они подвержены большим физическим нагрузкам из-за подъемных задач, повторяющихся движений и неэргономичности позы. Применение приводов в экзоскелетонах позволяет не только осуществлять двигательные функции, но и обеспечивать динамическое уравновешивание конечностей и усиливать их функции, тем самым расширяя области применения разработанных устройств (рис. 1).

101

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

Рисунок 1. Примеры экзоскелетонов различного назначения Проанализируем классификации реабилитационных и вспомогательных роботов и методов их моделирования [1-18]. Наука и техника сильно изменились со времени появления первых экзоскелетонов и, следовательно, их методы проектирования стали более продвинутыми. для параплегиков для реабилитации

медицинские

для инвалидов/парализировеных для компенсации Экзоскелетоны

для солдат для работников вспомогательные для здоровых пожилых людей общее назначение Рисунок 2. Классификация экзоскелетонов.

В настоящее время экзоскелетоны намного разнообразнее и сложнее, и для экономии времени и усилий исследователей и дизайнеров их методы обзора нуждаются в определенной систематизации. Полезна классификация экзоскелетонов (рис. 2) по их отношению к конечным пользователям. Исследования показывают, что существует необходимость в разработке новых типов многофункциональных реабили-

102

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

тационных и вспомогательных роботизированных устройств с улучшенными энергозатратными, весовыми, эргономическими и другими функциональными характеристиками, методов их численного моделирования и оптимального проектирования, а также создания тестовых моделей проектируемых перспективных устройств. Усовершенствование методов моделирования и исследования реабилитационных устройств с упругими звеньями и приводными элементами создает основу для проектирования и разработки устройств следующего поколения, обеспечивающих улучшенные технические характеристики, востребованных как в клинических, так и в промышленных, военных и бытовых приложениях. Ниже представлена классификация методов моделирования и проектирования реабилитационных и вспомогательных роботизированных устройств. структурный анализ кинематический анализ

аналитические

динамический анализ уравнения Лагранжа Модели уравнения ЛагранжаМаксвелла структурный, кинематический и динамический оптимальный синтез компьютерная система ADAMS

численные

компьютерная система ANSYS Рисунок 3. Классификация методов моделирования и проектирования реабилитационных устройств Разработка и развитие новых методов и алгоритмов динамического моделирования реабилитационных устройств с учетом упругости звеньев и приводных элементов, существенно упрощают вычислительный процесс и позволяет производить сравнительный анализ результатов. Решение задач оптимального проектирования и управления реабилитационного устройства с электроактивными полимерметаллическими актуаторами открывает возможность создания универсальных систем с избыточным числом актуаторов с управляемыми жесткостями, которые подобно натуральным мышцам обеспечивают множественные степени свободы конечности, повышая эффективность их функционирования. Применение математической теории дифференциальных игр дает возможность решения задач оптимального управления реабилитационных устройств с избыточным числом взаимодействующих актуаторов по критерию минимальных энергозатрат.

103

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

Реабилитационные и вспомогательные роботы востребованы в армии: из-за горных условий солдатам часто приходится преодолевать труднодоступные районы с тяжелым оружием и багажом, а также и на производстве: при отсутствии современного автоматизированного оборудования усилия людей также должны быть сведены к минимуму. В течение последнего десятилетия исследовательской группой ученых лаборатории «Робототехника» Национального политехнического университета Армении выполнено большое количество работ по разработке различых схем механизмов, технических решений модулей ассистирующих устройств и экзоскелетонов, способов их уравновешивания и методов статического и динамического моделирования [1-8, 15-18]. 3. Заключение Таким образом, выполненные обзор известных работ, классификация современных экзоскелетонов и ассистирующих роботизированных устройств методов, их моделирования и проектирования позволили выявить основные направления технического прогресса в исследуемой области, а также наиболее эффективные методы моделирования и проектирования устройств, в частности, разработки новых типов многофункциональных устройств с улучшенными энергозатратными, весовыми, эргономическими и другими функциональными характеристиками, а также методов их численного моделирования и оптимального проектирования. Работа выполнена в рамках проекта 18T-2D236, финансируемого Государственным комитетом по науке при Министерстве образования и науки Республики Армения. ЛИТЕРАТУРА: 1. Arakelian V., Ghazaryan S. Gravity balancing of the human leg taking into account the spring mass // Proceedings of the 9th International Conference on Climbing and Walking Robots (CLAWAR). – Brussels, Belgium, 12-14 September, 2006. – P. 630-635. 2. Казарян С., Аракелян В. Проектирование уравновешивающих устройств для роботизированной реабилитации [Текст] / XVIII Международная Интернетконференция молодых ученых и студентов по проблемам машиноведения (МИКМУС Пробмаш-2006): Материалы конференции, 27-29 ноября, 2006 г. – M., 2006. – С. 56. 3. Казарян С., Аракелян В., Арутюнян М. Проектирование реабилитационных систем и оптимизация их параметров [Текст] / XIX Международная Интернетконференция молодых ученых и студентов по проблемам машиноведения (МИКМУС Пробмаш - 2007): Материалы конференции, 05-07 ноября, 2007г. – М., 2007. – С. 93. 4. Ghazaryan S., Harutyunyan M., Arakelyan V. Spring static balancing and optimization of parameters of the biomechanical system // Annual Scientific Conference of SEUA: Collection of Materials, 19-23.11.2007, V.1.-Yerevan, 2008. – P.406-410 (Arm.). 5. Ghazaryan S., Harutyunyan M., Arakelyan V. The optimization of parameters of the biomechanical system by means of spring composition during static balancing // Annual Scientific Conference of SEUA: Collection of Materials. 19-23.11.2007, V.1.-Yerevan, 2008. – P.410-414(Arm.). 6. Arakelian V., Ghazaryan S. Improvement of balancing accuracy of robotic systems: Application to leg orthosis for rehabilitation devices // International Journal of Mechanism and Machine Theory. – Elsevier, 2008. – 43(5). – P. 565-575.

104

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

7. Ghazaryan S. Gravity balancing and optimization of the parameters of the biomechanical system of a human leg and the rehabilitation device // Proceedings of Engineering Academy of Armenia (PEAA).-Yerevan, Armenia, 2008. – V.5, No.1. – P. 119-122. 8. Казарян, С. Д. Динамический анализ статически уравновешенного приводного ортопедического устройства ноги / С.Д. Казарян, В. А. Аракелян, М. Г. Арутюнян // Вестник Инженерной академии Армении (ВИАА). – 2008. – Т.5. – № 3. – С. 420-423. 9. Fattah A., Agrawal S.K. Design and Modeling of classes of spatial Reactionless Manipulators Text] // Proceedings of the 2003 IEEE International Conference on Robotics and Automation.- Taipei, Taiwan, September 14-19.2003. – P. 3225-3230. 10. Agrawal S., Fattah A. Reactionless Space and Ground Robots: Novel Designs and Concepts Studies Text] // Mechanism and Machine Theory. – 2004. – Vol. 39, No.1. – P. 25-40. 11. Agrawal A., Agrawal S.K. Design of Gravity Balancing Leg Orthosis Using Non-Zero Free Length Springs Text] // Mechanisms and Machine Theory. – 2005. – Vol. 40, issue 6. – P. 693-709. 12. Agrawal S., Fattah A. Gravity-Balancing of Spatial Robotic Manipulators Text] // Mechanism and Machine Theory. – 2004. – Vol.39, No.12. – P.1331-1344. 13. Ebert-Uphoff I., Gosselin C.M., Laliberté T. Static balancing of spatial parallel mechanisms // ASME Trans. Journal of Mechanical Design. – 2000. – Vol. 122. – P. 4351. 14. Herder J. L. Energy-free systems. Theory, conception and design of statically balanced mechanisms, PhD thesis. – Delf University of Technology, 2001. 15. N. B. Zakaryan. Dynamic Analysis of the Plain Biped Walking Mechanism Taking Into Account the Elasticity of Links and Joints / SEUA Proceedings, Machine Science-2014. – Issue 17, №2. – Р. 49-55. 16. N. B. Zakaryan. Modelling of Universal Active Module of Human Motor Function Rehabilitation Device / NPUA Proceedings, Machine Science-2015. – №2. – Р. 72-77. 17. Арутюнян, М. Г. Учет упругости приводных элементов при разработке робототехнических реабилитационных устройств / М.Г. Арутюнян, Н. Б. Закарян // Сб. трудов XXIII Межд. научно-техн. конф. “Машиностр. и техносфера ХХI века”. – Донецк-Севастополь, 2016. – Том 1. – С. 10-13. 18. N. B. Zakaryan, M. G. Harutyunyan, Y. L. Sarkissian. Оptimal design of active orthosis with redundant composite polymer-metal controllable stiffness actuators // Coll. works XXIII international scientific and technical conference “Машиностроение и Техносфера ХХI века”.-Doneck-Sevastopol, 2016. – Т. 1. – С. 86-91. Поступила в редколлегию 16.05.2019 г.

105

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

СОДЕРЖАНИЕ Акопян Н. Г., Багдасарян А. Н. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭКЗОСКЕЛЕТОННОГО МОДУЛЯ И ЕГО ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИЗ УСЛОВИЙ ЖЕСТКОСТИ ЗВЕНЬЕВ…………………… 3 Горобец И. А., Голубов Н. В., Толпекина М. Е. ВЫБОР СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА………………

Горобец И. А. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРИТЕРИЯ ОПТИМИЗАЦИИ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТОКАРНЫХ СТАНКОВ С ЧПУ………………………………………………….....

Гусев В. В., Моисеев Д. А. ИЗНОС АЛМАЗНОГО ШЛИФОВАЛЬНОГО КРУГА ПРИ ОБРАБОТКЕ КЕРАМИКИ …………………………………………………………………………

Дуйшеналиев Т. Б., Хроматов В. Е., Цой В. Э., Щугорев В. Н. УРАВНЕНИЕ, ОПРЕДЕЛЯЮЩЕЕ ПРЕДЕЛЬНЫЕ СОСТОЯНИЯ ХРУПКИХ МАТЕРИАЛОВ……………………………………………………………………….. 30 Ивченко Т. Г. АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТЕЙ РОСТА ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ТОЧЕНИЯ С ОБЕСПЕЧЕНИЕМ ЗАДАННОГО УРОВНЯ БЕЗОТКАЗНОСТИ ИНСТРУМЕНТА ……………………………………………………………………...

Костенко А. В., Михайлов А. Н., Лукичев А. В. АЛГОРИТМ СИНТЕЗА ФУНКЦИОНАЛЬНО-ОРИЕНТИРОВАННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ………………………………………………………………………………

Костенко А. В., Матвиенко С. А. ОСОБЕННОСТИ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ВЫПУСКНОГО КЛАПАНА СУДОВОГО ДИЗЕЛЯ В ФУНКЦИОНАЛЬНО-ОРИЕНТИРОВАННЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ……………………………………………………………………….

Пичко А. П., Михайлов Д. А., Михайлов А. Н. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ СИНТЕЗА СТРУКТУРЫ ПРОЦЕССОВ ОТДЕЛОЧНО-УПРОЧНЯЮЩЕЙ ОБРАБОТКИ ЛОПАТОК КОМПРЕССОРА И ТУРБИНЫ С ФУНКЦИОНАЛЬНООРИЕНТИРОВАННЫМИ ПОКРЫТИЯМИ…………………………………………

Ракунов Ю. П., Абрамов В.В., Ракунов А. Ю. ОПРЕДЕЛЯЮЩАЯ РОЛЬ РАДИУСА ОКРУГЛЕНИЯ РЕЖУЩЕГО КЛИНА В УСПЕХЕ ТОНКОЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ТРУДНООБРАБАТЫВАЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ…………………………………… 72

106

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 4(67)’2019

Серга Г. В., Секисов А. Н. РОТОРНО-ВИНТОВЫЕ СИСТЕМЫ В МАШИНОСТРОЕНИИ ДЛЯ ОТДЕЛОЧНО - ЗАЧИСТНОЙ И УПРОЧНЯЮЩЕЙ ОБРАБОТКИ……………….. 80 Таращанский М. Т., Малый Д. В., Чалая Е. Ю. ЧИСЛЕННЫЙ СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ АРОЧНЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ С ИСХОДНЫМИ КОНТУРАМИ РАЗЛИЧНЫХ СИСТЕМ ЗАЦЕПЛЕНИЯ…………………………..

Шахазизян Б. Г. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ И КЛАССИФИКАЦИЯ НАДЕВАЕМЫХ АССИСТИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ И МЕТОДОВ ИХ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ПРОЕКТИРОВАНИЯ………………………………………………………………… 100

107

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

ИМЕННОЙ УКАЗАТЕЛЬ Абрамов В.В. Акопян Н.Г Багдасарян А.Н. Голубов И.В. Горобец И.А. Гусев В.В. Дуйшеналиев Т. Б. Ивченко Т. Г. Костенко А. В. Лукичев А. В. Малый Д.В. Матвиенко С.А. Михайлов А.Н. Михайлов Д. А. Моисеев Д.А. Пичко А. П. Ракунов А. Ю. Ракунов Ю. П. Секисов А. М. Серга Г. В.. Таращанский М.Т. Толпекина М.Е. Хроматов В.Е. Цой В. Э. Чалая Е. Ю. Шахазизян Б.Г. Щугорев В.Н.

80 3 3 11 11, 19 22 30 38 43, 49 43 93 49 43, 64 64 22 64 80 80 88 88 93 11 30 30 93 100 30

108

№4(67)’2019

ПРАВИЛА представления материалов в международный сборник научных трудов Донецкого национального технического университета «ПРОГРЕССИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И СИСТЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ» Международный сборник научных трудов Донецкого национального технического университета «Прогрессивные технологии и системы машиностроения» издается с 1994 года. В этом сборнике публикуются ученые и специалисты более чем из 30 стран мира. Сборник научных трудов является специальным изданием, научно-технические статьи которого проходят обязательное рецензирование. Данный сборник включен в следующие программы: 1. В сборнике могут публиковаться научно-технические статьи и результаты диссертационных работ. 2. Сборник включен в перечень ВАК ДНР (приказ № 774 от 24.07.2017 г.). 3. Сборник имеет сайт http://ptsm.donntu.org, а также размещен на сайте кафедры «Технология машиностроения» ДонНТУ, г. Донецк: http://tm.donntu.org 4. Сборник включен базу данных РИНЦ (Российский индекс научного цитирования) (лицензионный договор № 177-04/2013 от 12.04. 2013 г.) и размещен на сайте НЭБ (Научная электронная библиотека, г. Москва, Россия, http://elibrary.ru 5. Данный сборник имеет международную индексацию ISSN 2073-3216 (печат-

ная версия) и ISSN 2518-7120 (сетевое издание) Статьи представляемые в данный сборник должны отвечать следующим требованиям. Содержание статей должно отражать новые достижения науки и техники в области машиностроения, их практическое значение, соответствовать технической направленности сборника и представлять интерес для широкого круга специалистов. В статье должно быть кратко изложено то новое и оригинальное, что разработано авторами, показано преимущество перед аналогами предлагаемых разработок, описаны их особенности и практическая значимость. Результаты работы не должны представляться в виде тезисов. Ответственность за нарушение авторских прав, за несоблюдение действующих стандартов и за недостоверность в статье данных полностью несут авторы статьи. Присланные в редакционную коллегию статьи подвергаются обязательному рецензированию. Редакционная коллегия оставляет за собой право вносить в текст статьи изменения редакционного характера без согласования с авторами, а также не публиковать статьи, которые не отвечают нашим требованиям. Языки представления рукописей: русский, украинский и английский. ОСНОВНАЯ ТЕМАТИКА СБОРНИКА Тематика представляемых статей должна основываться на проблемах машиностроения (механики) и представляться в рамках следующих направлений: 1. Практика и перспективы создания и применения прогрессивных и нетрадиционных технологий машиностроения. Интегрированные технологии. Сборка в машино и приборостроении. Абразивные и виброабразивные технологии. Гибридные и комбинированные технологии машиностроения. 2. Механизация и автоматизация производственных процессов машиностроения. Прогрессивное оборудование машиностроительных производств.

109

3. Комплексная автоматизация проектирования, подготовки и управления машиностроительным производством. 4. Проблемы создания и применения прогрессивных инструментов и инструментальных материалов в машиностроении. 5. Управление качеством продукции и технических систем машиностроения. Проблемы инженерии поверхностного слоя изделий. 6. Современные проблемы машиноведения и деталей машин. 7. Современные проблемы инженерии материалов. Упрочняющие технологии и покрытия изделий машиностроения. Наноматериалы и нанотехнологии в машиностроении. 8. Вопросы моделирования и расчетов сложных технологических систем машиностроения. В рамках сборника можно представлять рекламу продукции, которая будет помещена после рукописей статей. СОДЕРЖАНИЕ СТАТЕЙ Научно-технические статьи, представляемые в данный сборник должны иметь следующие элементы: - постановка проблемы в общем виде и ее связь с важными научными и практическими заданиями; - анализ последних достижений и публикаций, в которых начато решение данной проблемы, выделение нерешенных раньше частей общей проблемы, которым посвящается данная статья; - формулирование цели и постановка задач работы; - представление основного материала исследования с полным обоснованием полученных научных результатов, формулирование рекомендаций; - выводы по данному исследованию и перспективы дальнейшего развития данного направления. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ Для принятия решения о включении материалов Вашей статьи в сборник необходимо выслать в адрес редакционной коллегии следующее: заявку и сведения об авторах статьи; материалы статьи; экспертное заключение о возможности публикации статьи в открытой печати; все материалы отправляются по E-mail по адресам: tm@fimm.donntu.org или mntk21@mail.ru . ТРЕБОВАНИЯ К ОФОРМЛЕНИЮ 1. Текст статьи выполняется объемом от 5 до 10 страниц (обязательно полные страницы), формат А4 (210х297 мм) с полями: верхнее и нижнее – 30 мм, а левое и правое - 25 мм. Страницы не нумеровать. Статьи оформить с применением редактора WinWord (не ниже версии 6,0) шрифтом Times New Roman, выполненным в соответствии с образцом оформления, межстрочный интервал - 1,0, шрифт – 12pt. Материалы представить в электронном виде. 2. Порядок оформления. Материалы должны отвечать следующей структурной схеме: УДК, инициалы и фамилии авторов, ученая степень и звание (сокращение по ГОСТ 7.11 и 7.12), полное название организаций и стран, тел./факс, E-mail, название статьи, аннотация на языке статьи, ключевые слова, основной текст, заключение или выво-

110

ды, список литературы, дополнительные аннотации на других языках c ключевыми словами, внизу первой страницы необходимо указать авторский знак - ©. УДК печатать прописными (жирными) буквами в верхнем правом углу не отступая от верхнего поля. На следующей строке слева жирными строчными буквами – инициалы и фамилии авторов с учеными степенями и званиями, на следующих строках – полное название организаций и стран (через запятую, слева). На следующей строке курсивом слева – тел./факс и электронный адрес одного из авторов. Через один интервал - название статьи, печатать прописными (жирными) буквами, без переносов, центрировать по ширине, максимально три строки. Через один интервал - аннотации с ключевыми словами (слово аннотация не пишется) на двух языках шрифтом 10 pt, курсивом. Через один интервал – материалы статьи, шрифт 12 pt (язык изложения – по выбору авторов, межстрочный интервал 1,0). Внизу первой страницы статьи необходимо указать авторский знак - ©. Между соответствующими разделами статьи необходимо делать интервал. (См. образец оформления материалов). Абзац текста – 1,25. 3. Графический материал (рисунки, графики, схемы) следует выполнять в формате .bmp, .gif, .pсx, .dwg, .jpg - размерами не менее 60х60 мм внедренными объектами (по ходу материалов). Все позиции, обозначенные на рисунке, должны быть объяснены в тексте. Позиции на рисунке должны располагаться по часовой стрелке. Под каждым рисунком указывается его номер и название, например: Рисунок 3. Схема устройства. Текст названия рисунка группируется с рисунком. Каждый рисунок должен иметь один интервал сверху и снизу. 4. Формулы и математические знаки должны быть понятны. Показатели, степени и индексы должны быть меньше основных знаков и выполняться в соответствии с редактором формул Microsoft Equation. Формулы номеруются (справа в круглых скобках, не отступая от правого поля), только в том случае, если на них в тексте имеются ссылки. Между крайними знаками формулы и текстом должен выполняться один интервал. Формулы выполняются курсивом. Стиль формул для Microsoft Equation: Full - 12 pt, Subscript/Superscript - 10 pt, Sub-Subscript/Superscript - 8 pt, Symbol - 12 pt, Sub-Symbol - 10 pt. 5. Все таблицы должны иметь название и порядковый номер и располагаться после упоминания по тексту, например: Таблица 2. Классификация муфт. Каждая таблица должна иметь один интервал сверху и снизу. 6. Список литературы должен быть приведен в конце статьи в соответствии с ГОСТ 7.1-2003 . Перечень ссылок должен быть составлен в порядке упоминания в тексте. Ссылки на литературу заключается в квадратные скобки. Количество библиографических источников должно быть не менее 5, в том числе 3 источника должно быть за последние 5 лет. 7. Файл со статьей необходимо назвать по фамилиям и инициалам авторов в соответствии с работой (например: Иванов И.И., Петренко П.П.) 8. Материалы статьи представляются в электронном виде. 9. Материалы, не отвечающие перечисленным требованиям и тематике данного сборника, а также поступившие в редакционную коллегию с опозданием, опубликованы не будут.

111

СТАТЬИ ДОЛЖНЫ ИМЕТЬ СЛЕДУЮЩУЮ СТРУКТУРУ:

1. УДК (Например, УДК 621.01) (располагать вверху справа, шрифт жирный, 12 pt). 2. Инициалы и фамилии авторов (cлева, шрифт жирный, 12 pt), ученая степень и звание, затем на следующей строке - полное название организаций и стран (слева, 12 pt), на следующей строке – Тел./факс и электронный адрес (слева, курсив, 12 pt). 3. Название статьи (слева, шрифт жирный, 12 pt, максимум три строки). 4. Пустые строки, межстрочный интервал и размеры шрифта статьи. Пустые строки выполняются между названием статьи - вверху и внизу, перед соответствующими разделами работы (один пробел) и списком литературы, а также между дополнительной аннотацией вверху и внизу. Межстрочный интервал – 1,0. Размер шрифта статьи - 12 pt, размер шрифта аннотаций и авторского знака - 10 pt. 5. Аннотации (Abstract) (слово аннотация не пишется), (курсив, 10 pt). Первая аннотация пишется на языке статьи, а вторая на английском, если статья на английском языке, первая аннотация пишется на английском языке, а вторая – на русском языке. В аннотации приводятся краткие сведения о всей статье в целом на языке статьи. Объем аннотаций приблизительно до 10 строк, аннотация выполняется курсивом. 6. Ключевые слова (Keywords) (приводится 5-6 ключевых слов статьи), выполняются курсивом на следующей строке от аннотации. (курсив, 10 pt) 7. Введение (Introduction). (12 pt) Во введении приводится аналитический (исторический) обзор современного состояния вопроса исследования, выполняется постановка проблемы исследования или показывается актуальность данного исследования (работы). Здесь нужно обязательно указать результаты последних исследований других авторов. А также сформулировать цель и задачи исследований. 8. Основное содержание и результаты работы (The main contents and outcomes of activity). (Авторы могут дополнять работу другими разделами) (12 pt). В данном разделе излагаются и подробно разъясняются полученные авторами теоретические положения и практические результаты. Приводятся принятые гипотезы и используемые допущения, разъясняются малоизвестные термины, аббревиатуры и условные обозначения. Для теоретических положений приводятся их доказательства и необходимые математические преобразования. Для экспериментальных исследований кратко описываются методики их проведения, способы обработки данных и результаты проверок адекватности и достоверности результатов. 9. Авторский знак. Внизу первой страницы статьи необходимо указать авторский знак - ©. Например: © Иванов И.И., Петренко П.П.; 2017 (10 pt). 10. Заключение (Conclusion) (12 pt) В заключении излагаются выводы по полученным авторами результатам, описываются примеры их практического применения, предлагаются рекомендации относительно их использования, приводятся выводы, а также указываются перспективы дальнейших исследований по данной проблематике. 11. Литература (References). (12 pt) Список литературных источников должен быть составлен в порядке ссылок на них. Ссылки на литературу в тексте статьи заключаются в квадратные скобки. Количество библиографических источников должно быть не менее 5-6, в том числе 3 источника должно быть за последние 5 лет.

112

АДРЕС РЕДАКЦИОННОЙ КОЛЛЕГИИ: ДНР, 283001, г. Донецк, ул. Артема, 58, ДонНТУ, кафедра «Технология машиностроения», Редакционная коллегия сборника. Тел./факс: +38 062 305-01-04. E-mail: tm@fimm.donntu.org или mntk21@mail.ru http://ptsm.donntu.ru

Публикация статей в международном сборнике научных трудов «Прогрессивные технологии и системы машиностроения» - выполняется бесплатно

Образец оформления материалов

УДК 621.85.05-034(12 pt) И. И. Иванов, д-р техн. наук, проф., П. П. Петренко, асcист. (12 pt) Донецкий национальный технический университет, ДНР (12 pt) Брянский государственный технический университет, Россия (12 pt) Тел./Факс: +38 (062) 3050104; E-mail: tm@fimm.donntu.org (курсив, 12 pt) (пустая строка - 12 pt) ОСНОВЫ СТРУКТУРНОГО СИНТЕЗА СБОРОЧНЫХ СИСТЕМ (слева, 12 PT, ЖИРНЫМ, ЗАГЛАВИЕ МАКСИМУМ ТРИ СТРОКИ) (пустая строка - 12 pt) В статье приведены данные по структурному синтезу сборочных ……………………………………... ………… уравнений описывающих процесс сборки изделий. (курсив, 10 pt, до 10 строк). Ключевые слова: структура технологии, синтез, процесс, технология, сборка. (курсив, 10 pt, 5 …6 слов) (пустая строка - 10 pt) I. I. Ivanov, P. P. Petrenko (10 pt) (10 pt) BASES OF THE STRUCTURED SYNTHESES OF THE ASSEMBLY SYSTEMS (10 pt) The efficient design of assembly machinery is vitally important …………………………………………………………….. …………………………………………as noun description of functions of presented in the paper. Keywords: structured syntheses, process of the assembly, technological system. (курсив,10 pt)

(пустая строка - 12 pt) 1. Введение (12 pt) Сборочные системы являются сложными иерархическими системами. Одним из условий [1] повышения производительности … сборочных технологических систем (рис. 5). Технологические системы …………………………………………………………………... (пустая строка - 12 pt) 2. Основное содержание и результаты работы (12 pt) Для сборки изделий широко применяются технологические системы ……………… информационные и другие потоки могут быть описаны следующим образом: kт

a 2 b2 ,

(1)

где km - элемент множества; …………………………………………………….……………………………………………….

113

……………….. позволили разработать общие алгоритмы функционирования системы. (пустая строка - 12 pt) 3. Общий алгоритм и рекомендации (12 pt) Выполненные исследования позволили разработать общий алгоритм ……………… ………………………………………………. основывается на итерационном подходе. (пустая строка - 12 pt) 4. Цифровые модели (12 pt) В работе разработаны цифровые структурно-логические модели структуры сборочных систем, выполненные с применением основных положений алгебры структур …... (пустая строка - 12 pt) 5. Заключение (12 pt) Таким образом, выполненные исследования позволили реализовать следующее: 1. Разработать методику синтеза структурных вариантов ………………………….... ……………………………….. отличительной особенностью данной методики. 2. Установить закономерности ………………………………………………………..... ………………………………… позволили произвести процесс итерации. 3. Разработать рекомендации …………………………………………………………… © Иванов И.И., Петренко П.П.; 2016 (приводится внизу первой страницы статьи, 10 pt))

…………………………………. внедрить на производстве. (пустая строка - 12 pt) ЛИТЕРАТУРА: (центрировать,12 pt, не менее 5 … 6 библиографических источников)

1. Ким, И. П. Исследование эффективности роторных машин / И. П. Ким. – К: КПИ, 1985. – 123 с. ISBN 966-7907-22-8. 2. Устюгов, А. В. Надежность технологических машин / А. В. Устюглв. – Донецк: ДонНТУ, 1998. – 425 с. ISBN 966-7907-23-6. 3. Савельев, А. А. Сборка машин / А. А. Савельев – М.: Наука, 2009. - 342 с. ISBN 966-7907-26-9. 4. Михайлов, А. Н. Основы синтеза функционально-ориентированных технологий /А. Н. Михайлов – Донецк: ДонНТУ, 2009. – 346 с. ISBN 966-7907-24-4. 5. Базров, Б. М. Модульные технологии / Б. М. Базров. – М.: Машиностроение, 2000. – 368 с. ISBN 5-217-03061-5. 6. Сидоров, И. А. Учет переменности параметров процесса точения фасонных поверхностей при определении оптимальных режимов резания / И.А. Сидоров, А.Н. Алехин //Наукоемкие технологии в машиностроении: ежемесячный научно-технический и производственный журнал. – М: Машиностроение. – 2014. - № 9. – С. 11-17. 7. Любшин, А. Н. Особенности полировки лопаток с коррозионными разрушениями покрытий /А. Н. Любшин, А. Н. Шейко, Б. Л. Недашковский // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Международный сб. научных работ. – Донецк: ДонНТУ, 2013. – Вып. 1 (25). – С. 207-212 пустая строка - 12 pt) Поступила в редколлегию _____________________ (дата поступления статьи, 10 pt)

114

НАУЧНОЕ ИЗДАНИЕ

ПРОГРЕССИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И СИСТЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ Выпуск 4 (67)’ 2019

Главный редактор д-р техн. наук, проф. А.Н. Михайлов E-mail: tm@fimm.donntu.org Технический редактор Л. Б. Ступакова

Учредитель и издатель – Донецкий национальный технический университет Адрес издателя: ДНР, 83001, г. Донецк, ул. Артема, 58, ГОУ ВПО «ДонНТУ», +38 (062) 337-17-33, 335-75-62 Адрес редакции: ДНР, 83001, г. Донецк, ул. Артема, 58, тел. +38 (071) 306-08-79, +38 (062) 301-08-05. E-mail: tm@fimm.donntu.org Сайт: http://ptsm.donntu.org Сборник (E) зарегистрирован в Министерстве информации Донецкой Народной Республики.