Технологию обработки стали просчитали математически
Углеродистая сталь AISI 1045 (российский аналог – Сталь 45) – очень распространенный конструкционный материал, из которого изготавливают огромное количество всевозможных изделий для машиностроения, приборостроения, судостроения и других отраслей промышленности. Международная команда ученых из России, Саудовской Аравии и Китая исследовала процесс торцевого фрезерования углеродистой стали AISI 1045 с целью 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 Данил Пименов и кандидат технических наук, доцент кафедры литейного производства факультета материаловедения и металлургических технологий Иван Ердаков – впервые установили взаимосвязь трёх факторов торцевого фрезерования заготовки из углеродистой стали, влияющих на параметры качества резания: скорости подачи стали, скорости резания и уровня износа инструмента.
Исследование проходило в несколько этапов. Профессор Адель Таха Аббас и доктора Махмуд Сайед Солиман и Магди Мостафа Эль Райес из Университета короля Саудовской Аравии (Эр-Рияд) обработали имеющиеся обширные данные по этому направлению. Затем ученые ЮУрГУ выявили многоаспектную закономерность взаимосвязи параметров. После этого доктор Муниш Гупта из Шаньдунского университета (Китай) решил задачу оптимизации. Такой комплексный подход в исследовании дает новые научно-практические знания о торцевом фрезерования стали AISI 1045, что позволит существенно снизить энергозатраты производства.
– Уникальность исследования связана с использованием разработанного китайскими учеными математического метода Grey Relational Analysis (GRA) для поиска оптимальных режимов механической обработки стали. GRA широко применяется в самых разных сферах производства, с его помощью 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 – шероховатость поверхности, мощность резания, скорость удаления материала, расстояние скольжения, срок службы инструмента, – поясняет Данил Пименов.
Для разных стадий обработки ученые исследовали влияние режимов резания (подача, скорость резания) на процесс изнашивания зубьев торцевой фрезы и измеряли 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.
Обработка стали станет экологичнее и дешевле
Результаты исследования позволяют оценить как технологические параметры торцевого 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 исследование влияния износа зубьев торцевых 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 их не только для неких усредненных значений 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.
В рамках международной научной группы Южно-Уральского государственного университета, Университета короля Саудовской Аравии (Эр-Рияд) и Шаньдунского университета (Китай) планируется проведение исследований на расширенной номенклатуре марок сплавов, среди которых – труднообрабатываемые и жаропрочные стали, титановые и никелевые сплавы. При помощи компьютерного инжиниринга планируется уточнить вопросы теории резания для основных видов обработки (точение, фрезерование, сверление, шлифование): исследовать точность обработки, шероховатость обработанной поверхности, влияние режимов резания на силы резания и мощность обработки.
На сегодня кроме технологических вопросов важны экономический и экологический аспекты. Поэтому одно из направлений предполагаемых исследований – ресурсосберегающие технологии. В рамках данного направления ученые планируют изучить процессы обработки с целью оптимизации режимов резания по наиболее важным критериям экономичности – 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 свести к минимуму вред окружающей среде.
В соответствии со стратегией 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.