Ученые из Южно-Уральского государственного университета провели серию экспериментов по резке стали и определили оптимальные режимы фрезерования стали для уменьшения стоимости и потребляемой мощности, и повышения экономичности процесса. Ученые в соавторстве с зарубежными коллегами впервые установили взаимосвязь трёх факторов торцевого фрезерования заготовки из углеродистой стали для создания ресурсосберегающих технологий. Результаты исследования были опубликованы в статье в высокорейтинговом научном журнале International Journal of Advanced Manufacturing Technology (Q1).
Технологию обработки стали просчитали математически
Углеродистая сталь AISI 1045 (Российский аналог ― Сталь 45) ― это очень распространенный конструкционный материал, из которого изготавливают огромное количество всевозможных изделий машиностроения, приборостроения, судостроения и т.д. Международная команда ученых из России, Саудовской Аравии и Китая исследовала процесс торцового фрезерования углеродистой стали AISI 1045. Целью исследования было увеличить энергоэффективность технологического процесса фрезерования стали, повысив при этом качество и экономичность самой операции.
Ученые Политехнического института ЮУрГУ, старший преподаватель кафедры технологии автоматизированного машиностроения факультета Машиностроения ЮУрГУ Данил Пименов и кандидат технических наук, доцент кафедры «Литейное производство» факультета Материаловедения и металлургических технологий Иван Ердаков впервые установили взаимосвязь трёх факторов торцевого фрезерования заготовки из углеродистой стали: скорости подачи стали, скорости резания и уровня износа инструмента на параметры качества резания стали.
Исследование проходило в несколько этапов. Профессор Адель Таха Аббас и доктора Махмуд Сайед Солиман, Магди Мостафа Эль Райес из университета короля Саудовской Аравии (Эр-Рияд) обработали имеющиеся обширные данные по этому направлению. Затем ученые ЮУрГУ выявили многоаспектную закономерность параметров. После этого доктор Муниш Гупта из Шаньдунского университета (Китай) решил задачу оптимизации. Такой комплексный подход в исследовании дает новые научно-практические знания для торцевого фрезерования стали AISI 1045, что позволит существенно повысить энергосбережение производства.
«Уникальность исследования связана с использованием математического метода, разработанного китайскими учеными, Grey Relational Analysis (GRA), в поиске оптимальных режимов механической обработки стали. GRA широко применяется в самых разных сферах производства, с помощью него решаются сложные многофакторные многопараметрические задачи. Новизна работы заключается в том, что впервые была установлена многоаспектная закономерность влияния трёх факторов торцевого фрезерования заготовки из углеродистой стали – подачи на зуб, скорости резания и величины фаски износа зуба инструмента на контролируемые параметры – шероховатости поверхности, мощности резания, скорость удаления материала, расстояние скольжения, срок службы инструмента», ― говорит Данил Пименов.
Для разных стадий обработки ученые исследовали влияние режимов резания (подача, скорость резания) на процесс изнашивания зубьев торцовой резы и исследовали шероховатость обработанной поверхности. На основании проведенных экспериментальных исследований методом многопараметрического регрессионного анализа получено пять математических нелинейных уравнений, которые отражают связь между факторами торцевого фрезерования заготовки из углеродистой стали AISI 45. С использованием полученных уравнений ученые расчетным путем установили оптимальную взаимосвязь мощности резания и себестоимости обработки.
.jpg)
Фото: старший преподаватель кафедры технологии автоматизированного машиностроения факультета Машиностроения ЮУрГУ Данил Пименов.
Обработка стали станет экологичнее и дешевле
Результаты исследования позволяют оценить, как технологические параметры торцового фрезерования стали AISI 45 (качество обработанной поверхности и производительность), так и параметры сбережения ресурсов (стоимость обработки и расход мощности резания). Весь этот комплекс параметров важен при проектировании современного и экономичного производства.
«На данный момент отсутствует комплексное исследования влияние фаски износа зубьев торцовых фрез на такие показатели как качество поверхности, потребляемая мощность и стоимость операции. В современных конкурентоспособных производственных системах крайне важно знать такие тенденции, а еще лучше иметь многоуровневые цифровые модели, чтобы управлять такими параметрами по мере увеличения износа инструмента. Важно изучить не только для неких усредненных значениях износа, но и исследовать поведение выходных параметров торцевого фрезерования за пределами этих средних величин. Полученные зависимости качества поверхности, стоимости операции, потребляемой мощности, производительности путем внедрения в современное цифровое производство позволят существенно ускорить процесс технологической подготовки производства, а также помогут оценить экономическую и энергетическую эффективность технологической операции,» ― утверждает Иван Ердаков.
Фото: доцент кафедры «Литейное производство» факультета Материаловедения и металлургических технологий Иван Ердаков.
В рамках международной научной группы Южно-Уральского государственного университета, Университета короля Саудовской Аравии (Эр-Рияд) и Шаньдунского университета (Китай) планируются проведение исследований на расширенной номенклатуре марок сплавов, среди них трудно обрабатываемые и жаропрочные стали, титановые и никелевые сплавы. При помощи компьютерного инжиниринга планируется уточнить вопросы в теории резания для основных видов обработки (точение, фрезерование, сверление, шлифование): исследование точности обработки, шероховатости обработанной поверхности, исследование влияния режимов резания на силы резания и мощность обработки.
На сегодня кроме технологических вопросов важен экономический и экологический аспекты. Поэтому одно из направлений предполагаемых исследований ― это ресурсосберегающие технологии. В рамках данного направления ученые планируют проведение исследования процессов обработки по оптимизации режимов резания по наиболее важным критериям экономичности обработки (оценивая себестоимость технологических операций, снижение потребляемой мощности при резании). В современной мировой практике производства экологический аспект становится все более актуальным. И сейчас важно не только произвести точное изделие с наивысшей производительностью, но и обеспечить минимальный урон окружающей среде.
В соответствии со стратегий научно-технологического развития РФ университет сфокусирован на развитии крупных научных междисциплинарных проектов в области цифровой индустрии, материаловедения и экологии. ЮУрГУ — участник Проекта 5-100, призванного повысить конкурентоспособность российских университетов среди ведущих мировых научно-образовательных центров.