Improving the efficiency of surface-thermal hardening of machine parts in conditions of combination of processing technologies, integrated on a single machine tool base

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. In the manufacturing industry, there is a particular interest in the development of a new type of technological equipment, which makes it possible to implement methods for modifying the parts surface layers by processing it with concentrated energy sources. The combination of two processing technologies (mechanical and surface-thermal operations) in the conditions of integrated equipment makes it possible to neutralize the disadvantages of monotechnologies and obtain new effects that are unattainable when using technologies separately. The use of hybrid machine tools in conjunction with the developed technological recommendations will allow achieving a multiple increase in the technical and economic efficiency of production, resource and energy saving, which in turn will contribute to an increase in the competitiveness of products and the renewal of the technological paradigm. Purpose of work: increasing productivity and reducing energy consumption during surface-thermal hardening of machine parts by exposure to concentrated energy sources under conditions of integrated processing. Theory and methods: studies of the possible structural composition and layout of hybrid equipment during the integration of mechanical and surface-thermal processes are carried out taking into account the main provisions of structural synthesis and the components of metalworking systems. Theoretical studies are carried out using the basic provisions of system analysis, geometric theory of surface formation, design of metalworking machines, finite-element method, mathematical and computer simulation. Mathematical simulation of thermal fields and structural-phase transformations in the case of HEH HFC is carried out in the ANSYS and SYSWELD software packages, using numerical methods for solving the differential equations of unsteady thermal conductivity (Fourier's equation), carbon diffusion (Fick's second law), and elastoplastic behavior of the material. The verification of the simulation results is carried out by conducting field experiments using: optical and scanning microscopy; mechanical and X-ray methods for determining residual stresses. In the study, Uone JD520 and Form Talysurf Series 2 profilograph-profilometers are used to simultaneously measure shape deviations, waviness and surface roughness. Surface topography is assessed using a Zygo New View 7300 laser profilograph-profilometer. The microhardness of the hardened surface layer of parts is evaluated on a Wolpert Group 402MVD device. Results and discussion. An original method of structural-kinematic analysis for pre-design research of hybrid metalworking equipment is presented. Methodological recommendations are developed for the modernization of metal-cutting machine tools, the implementation of which will allow the implementation of high-energy heating by high-frequency currents (HEH HFC) on a standard machine-tool system and ensure the formation of high-tech technological equipment with expanded functionality. A unified integral parameter of the temperature-time effect on a structural material is proposed when the modes of hardening by concentrated heating sources are assigned, which guarantee the required set of quality indicators of the surface layer of machine parts, while ensuring energy efficiency and processing productivity in general. It is experimentally confirmed that the introduction into production of the proposed hybrid machine tool in conjunction with the developed recommendations for the purpose of the HEH HFC modes in the conditions of integral processing of a “Plunger bushing” type part in relation to the factory technology allows increasing the productivity of surface hardening by 3.5 ... 4.1 times, and reduce energy consumption by 9.5 ... 11.3 times.

About the authors

V. Yu. Skeeba

Email: skeeba_vadim@mail.ru
Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Novosibirsk State Technical University, 20 Prospekt K. Marksa, Novosibirsk, 630073, Russian Federation, skeeba_vadim@mail.ru

V. V. Ivancivsky

Email: ivancivskij@corp.nstu.ru
D.Sc. (Engineering), Associate Professor, Novosibirsk State Technical University, 20 Prospekt K. Marksa, Novosibirsk, 630073, Russian Federation, ivancivskij@corp.nstu.ru

References

  1. Brecher C., Özdemir D. Integrative production technology: theory and applications. – [S. l.]: Springer International Publ., 2017. – 1100 p. – doi: 10.1007/978-3-319-47452-6. – ISBN 978-3-319-47451-9. – ISBN 978-3-319-47452-6.
  2. The critical raw materials in cutting tools for machining applications: a review / A. Rizzo, S. Goel, M.L. Grilli, R. Iglesias, L. Jaworska, V. Lapkovskis, P. Novak, B.O. Postolnyi, D. Valerini // Materials. – 2020. – Vol. 13. – P. 1377. – doi: 10.3390/ma13061377.
  3. Макаров В.М., Лукина С.В. Уникальная синергия гибридных станков // Ритм: Ремонт. Инновации. Технологии. Модернизация. – 2016. – № 8. – С. 18–25.
  4. Makris S., Aivaliotis P. Framework for accurate simulation and model-based control of hybrid manufacturing processes // Procedia CIRP. – 2021. – Vol. 97. – P. 470–475. – DOI:  1016/j.procir.2020.07.007.
  5. Garro О., Martin P., Veron M. Shiva a multiarms machine tool // CIRP Annals. – Manufacturing Technology. – 1993. – Vol. 42, iss. 1. – P. 433–436. – doi: 10.1016/S0007-8506(07)62479-2.
  6. Moriwaki T. Multi-functional machine tool // CIRP Annals – Manufacturing Technology. – 2008. – Vol. 57, iss. 2. – P. 736–749. – doi: 10.1016/j.cirp.2008.09.004.
  7. Boivie K., Karlsen R., Ystgaard P. The concept of hybrid manufacturing for high performance parts // South African Journal of Industrial Engineering. – 2012. – Vol. 23, iss. 2. – P. 106–115.
  8. Jeon Y., Lee C.M. Current research trend on laser assisted machining // International Journal of Precision Engineering and Manufacturing. – 2012. – Vol. 13, iss. 2. – P. 311–317. – doi: 10.1007/s12541-012-0040-4.
  9. Hybrid processes in manufacturing / B. Lauwers, F. Klocke, A. Klink, A.E. Tekkaya, R. Neugebauer, D. Mcintosh // CIRP Annals. – 2014. – Vol. 63, iss. 2. – P. 561–583. – doi: 10.1016/j.cirp.2014.05.003.
  10. Yamazaki T. Development of a hybrid multi-tasking machine tool: integration of additive manufacturing technology with CNC machining // Procedia CIRP. – 2016. – Vol. 42. – P. 81–86. – doi: 10.1016/j.procir.2016.02.193.
  11. Yanyushkin A.S., Lobanov D.V., Arkhipov P.V. Research of influence of electric conditions of the combined electro-diamond machining on quality of grinding of hard alloys // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2015. – Vol. 91. – P. 012051. – doi: 10.1088/1757-899X/91/1/012051.
  12. Hybrid manufacturing based on the combination of mechanical and electro physical-chemical processes / B. Lauwers, N. Chernovol, B. Peeters, D.V. Camp, T.V. Riel, J. Qian // Procedia CIRP. – 2020. – Vol. 95. – P. 649–661. – doi: 10.1016/j.procir.2020.11.003.
  13. Effects of turn-milling conditions on chip formation and surface finish / K.R. Berenji, U. Karagüzel, E. Özlü, E. Budak // CIRP Annals. – 2019. – Vol. 68, iss. 1. – P. 113–116. – doi: 10.1016/j.cirp.2019.04.067.
  14. Densification, surface morphology, microstructure and mechanical properties of 316L fabricated by hybrid manufacturing / Y. Yang, Y. Gong, S. Qu, Y. Rong, Y. Sun, M. Cai // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2018. – Vol. 97, iss. 5–8. – P. 2687–2696. – doi: 10.1007/s00170-018-2144-1.
  15. Hybrid laser assisted machining: a new manufacturing technology for ceramic components / G. Guerrini, A. Fortunato, S.N. Melkote, A. Ascari, A.H.A. Lutey // Procedia CIRP. – 2018. – Vol. 74. – P. 761–764. – doi: 10.1016/j.procir.2018.08.015.
  16. Mirzendehdel A.M., Behandish M., Nelaturi S. Topology optimization with accessibility constraint for multi-axis machining // Computer-Aided Design. – 2020. – Vol. 122. – P. 102825. – doi: 10.1016/j.cad.2020.102825.
  17. Khatir F.A., Sadeghi M.H., Akar S. Investigation of surface integrity in the laser-assisted turning of AISI 4340 hardened steel // Journal of Manufacturing Processes. – 2021. – Vol. 61. – P. 173–189. – doi: 10.1016/j.jmapro.2020.09.073.
  18. Макаров В.М. Комплексированные технологические системы: перспективы и проблемы внедрения // Ритм: Ремонт. Инновации. Технологии. Модернизация. – 2011. – № 6 (64). – С. 20–23.
  19. Manufacturing systems and technologies for the new frontier: the 41st CIRP Conference on Manufacturing Systems, May 26–28, 2008, Tokyo, Japan / M. Mitsuishi, K. Ueda, F. Kimura, eds. – London: Springer, 2008. – 556 p. – ISBN 978-1-84800-267-8. – doi: 10.1007/978-1-84800-267-8.
  20. Integration of production steps on a single equipment / V. Skeeba, V. Pushnin, I. Erohin, D. Kornev // Materials and Manufacturing Processes. – 2015. – Vol. 30, iss. 12. – doi: 10.1080/10426914.2014.973595.
  21. Liu J., Ye C., Dong Y. Recent development of thermally assisted surface hardening techniques: a review // Advances in Industrial and Manufacturing Engineering. – 2021. – Vol. 2. – P. 100006. – doi: 10.1016/j.aime.2020.100006.
  22. Tailored bainitic-martensitic microstructures by means of inductive surface hardening for AISI4140 / F. Mühl, J. Jarms, D. Kaiser, S. Dietrich, V. Schulze // Materials and Design. – 2020. – Vol. 195. – P. 108964. – doi: 10.1016/j.matdes.2020.108964.
  23. A review of surface integrity in machining of hardened steels / W.F. Sales, J. Schoop, L.R.R. Silva, Á.R. Machado, I.S. Jawahir // Journal of Manufacturing Processes. – 2020. – Vol. 58. – P. 136–162. – doi: 10.1016/j.jmapro.2020.07.040.
  24. Combination of high feed turning with cryogenic cooling on Haynes 263 and Inconel 718 superalloys / F.J. Amigo, G. Urbikain, O. Pereira, P. Fernández-Lucio, A. Fernández-Valdivielso, L.N. Lópezde de Lacalle // Journal of Manufacturing Processes. – 2020. – Vol. 58. – P. 208–222. – doi: 10.1016/j.jmapro.2020.08.029.
  25. Борисов М.А., Лобанов Д.В., Янюшкин А.С. Гибридная технология электрохимической обработки сложнопрофильных изделий // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2019. – Т. 21, № 1. – С. 25–34. – doi: 10.17212/1994-6309-2019-21.1-25-34.
  26. Gao K., Qin X. Effect of feed path on the spot continual induction hardening for different curved surfaces of AISI 1045 steel // International Communications in Heat and Mass Transfer. – 2020. – Vol. 115. – P. 104632. – doi: 10.1016/j.icheatmasstransfer.2020.104632.
  27. Скиба В.Ю., Иванцивский В.В. Гибридное металлообрабатывающее оборудование: повышение эффективности технологического процесса обработки деталей при интеграции поверхностной закалки и абразивного шлифования. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2018. – 312 с. – ISBN 978-5-7782-3690-5.
  28. Иванцивский В.В., Скиба В.Ю. Гибридное металлообрабатывающее оборудование. Технологические аспекты интеграции операций поверхностной закалки и абразивного шлифования: монография. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2019. – 348 с. – ISBN 978-5-7782-3988-3.
  29. Ding H.T., Shin Y.C. Laser-assisted machining of hardened steel parts with surface integrity analysis // International Journal of Machine Tools and Manufacture. – 2010. – Vol. 50, iss. 1. – P. 106–114. – doi: 10.1016/j.ijmachtools.2009.09.001.
  30. Advances in laser assisted machining of hard and brittle materials / K. You, G. Yan, X. Luo, M.D. Gilchrist, F. Fang // Journal of Manufacturing Processes. – 2020. – Vol. 58. – P. 677–692. – doi: 10.1016/j.jmapro.2020.08.034.
  31. Laser transformation hardening of EN24 alloy steel / K.M.B. Karthikeyan, T. Balasubramanian, V. Thillaivanan, G.V. Jangetti // Materials Today: Proceedings. – 2020. – Vol. 22, pt. 4. – P. 3048–3055. – doi: 10.1016/j.matpr.2020.03.440.
  32. In-process residual stresses regulation during grinding through induction heating with magnetic flux concentrator / F. Li, X. Li, T. Wang, Y.(K.) Rong, S.Y. Liang // International Journal of Mechanical Sciences. – 2020. – Vol. 172. – P. 105393. – doi: 10.1016/j.ijmecsci.2019.105393.
  33. Hybrid modeling of induction hardening processes / M.Z. Asadzadeh, P. Raninger, P. Prevedel, W. Ecker, M. Mücke // Applications in Engineering Science. – 2021. – Vol. 5. – P. 100030. – doi: 10.1016/j.apples.2020.100030.
  34. Predicting the induction hardened case in 42CrMo4 cylinder / M. Areitioaurtena, U. Segurajauregi, I. Urresti, M. Fisk, E. Ukar // Procedia CIRP. – 2020. – Vol. 87. – P. 545–550. – doi: 10.1016/j.procir.2020.02.034.
  35. On the role of grain size on slurry erosion behavior of a novel medium-carbon, low-alloy pipeline steel after induction hardening / V. Javaheri, O. Haiko, S. Sadeghpour, K. Valtonen, J. Kömi, D. Porter // Wear. – 2021. – Vol. 476. – P. 203678. – doi: 10.1016/j.wear.2021.203678.
  36. Hammouma C., Zeroug H. Enhanced frequency adaptation approaches for series resonant inverter control under workpiece permeability effect for induction hardening applications // Engineering Science and Technology, an International Journal. – 2021. – doi: 10.1016/j.jestch.2021.05.010.
  37. Скиба В.Ю. Гибридное технологическое оборудование: повышение эффективности ранних стадий проектирования комплексированных металлообрабатывающих станков // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2019. – Т. 21, № 2. – С. 62–83. – doi: 10.17212/1994-6309-2019-21.2-62-83.
  38. Simulation of induction hardening: simulative sensitivity analysis with respect to material parameters and the surface layer state / F. Mühl, J. Damon, S. Dietrich, V. Schulze // Computational Materials Science. – 2020. – Vol. 184. – P. 109916. – doi: 10.1016/j.commatsci.2020.109916.
  39. Анализ напряженно-деформированного состояния материала при высокоэнергетическом нагреве токами высокой частоты / В.Ю. Скиба, В.Н. Пушнин, И.А. Ерохин, Д.Ю. Корнев // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2014. – № 3 (64). – С. 90–102.
  40. Numerical simulation of martensitic transformation plasticity of 42CrMo steel based on spot continual induction hardening model / H. Zhong, Z. Wang, J. Gan, X. Wang, Y. Yang, J. He, T.T. Wei, X. Qin // Surface and Coatings Technology. – 2020. – Vol. 385. – P. 125428. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2020.125428.
  41. Головин Г.Ф., Зимин Н.В. Технология термической обработки металлов с применением индукционного нагрева. – Л.: Машиностроение, 1990. – 87 с. – ISBN 5-217-00926-8.
  42. Шепеляковский К.З. Упрочнение деталей машин поверхностной закалкой при индукционном нагреве. – М.: Машиностроение, 1972. – 288 с.
  43. Skeeba V.Y., Ivancivsky V.V., Martyushev N.V. Peculiarities of High-Energy Induction Heating during Surface Hardening in Hybrid Processing Conditions // Metals. – 2021. – Vol. 11, iss. 9. – P. 1354. – doi: 10.3390/met11091354.
  44. Numerical simulation of temperature field in steel under action of electron beam heating source / V.Yu. Skeeba, V.V. Ivancivsky, N.V. Martyushev, D.V. Lobanov, N.V. Vakhrushev, A.K. Zhigulev // Key Engineering Materials. – 2016. – Vol. 712. – P. 105–111. – doi: 10.4028/ href='www.scientific.net/KEM.712.105' target='_blank'>www.scientific.net/KEM.712.105.
  45. The features of steel surface hardening with high energy heating by high frequency currents and shower cooling / V.V. Ivancivsky, V.Yu. Skeeba, I.A. Bataev, D.V. Lobanov, N.V. Martyushev, O.V. Sakha, I.V. Khlebova // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2016. – Vol. 156. – Art. 012025. – doi: 10.1088/1757-899X/156/1/012025.
  46. Федотенок A.A. Кинематическая структура металлорежущих станков. – М.: Машиностроение, 1970. – 408 с.
  47. Птицын С.В., Левицкий Л.В. Структурный анализ и синтез кинематики металлорежущих станков. – Киев: УМК ВО, 1989. – 70 с.
  48. Ивахненко А.Г. Повышение эффективности ранних стадий проектирования металлорежущих станков на основе структурного синтеза формообразующих систем: дис. … д-ра техн. наук. – М., 1998. – 244 с.
  49. Effectiveness of structural-parametric synthesis of metal-cutting systems / A.G. Ivakhnenko, V.V. Kuts, O.Y. Erenkov, E.O. Ivakhnenko, A.V. Oleinik // Russian Engineering Research. – 2017. – Vol. 37, N 10. – P. 901–905. – doi: 10.3103/S1068798X17100112.
  50. Optimal structure design methodology for compound multiaxis machine tools–I – Analysis of requirements and specifications / M. Nakaminami, T. Tokuma, M. Moriwaki, К. Nakamoto // International Journal of Automation Technology. – 2007. – Vol. 1, N  2. – P. 78–86. – doi: 10.20965/ijat.2007.p0078.
  51. Optimal structure design methodology for compound multiaxis machine tools–II – Investigation of basic structure / M. Nakaminami, T. Tokuma, K. Matsumoto, S. Sakashita, M. Moriwaki, К. Nakamoto // International Journal of Automation Technology. – 2007. – Vol. 1, N 2. – P. 87–93. – doi: 10.20965/ijat.2007.p0087.
  52. Introduction to precision machine design and error assessment / ed. by S. Mekid. – Boca Raton: CRC Press, 2008. – 302 p. – ISBN 0849378869. – ISBN 978-0849378867. – (Mechanical and Aerospace Engineering Series).
  53. Ивахненко А.Г., Куц В.В. Структурно-параметрический синтез технологических систем: монография. – Курск: Курский гос. техн. ун-т, 2010. – 151 с.
  54. Куц В.В. Методология предпроектных исследований специализированных металлорежущих систем: дис. … д-ра техн. наук: 05.02.07 / Юго-Западный государственный университет. – Курск, 2012. – 365 с.
  55. Врагов Ю.Д. Анализ компоновок металлорежущих станков: основы компонетики. – М.: Машиностроение, 1978. – 208 с.
  56. Ивахненко А.Г. Концептуальное проектирование металлорежущих систем. Структурный синтез. – Хабаровск: Изд-во ХГТУ, 1998. – 124 с.
  57. Надежность прогноза качества технологического оборудования / С.В. Птицын, В.Ю. Скиба, Ю.С. Чёсов, Е.В. Мережко // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2013. – № 2 (59). – С. 33–38.
  58. Skeeba V.Yu., Ivancivsky V.V. Reliability of quality forecast for hybrid metal-working machinery // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. – 2018. – Vol. 194, iss. 2. – P. 022037. – doi: 10.1088/1755-1315/194/2/022037.
  59. Integrated processing: quality assurance procedure of the surface layer of machine parts during the manufacturing step "diamond smoothing" / V.Yu. Skeeba, V.V. Ivancivsky, D.V. Lobanov, A.K. Zhigulev, P.Yu. Skeeba // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2015. – Vol. 25. – P. 012031. – doi: 10.1088/1757-899X/125/1/012031.
  60. Балакшин Б.С. Основы технологии машиностроения. – М.: Машиностроение, 1969. – 560 с.
  61. Иващенко И.А. Технологические размерные расчеты и способы их автоматизации. – М.: Машиностроение, 1975. – 222 с.
  62. ASM Handbook. Vol. 9. Metallography and Microstructures / ed. by G.F. Vander Voort. – Materials Park, Ohio, USA: ASM International, 2004. – 1184 p. – ISBN 978-0-87170-706-2.
  63. Totten G.E., Howes M., Inoue T. Handbook of residual stress and deformation of steel. – Materials Park, Ohio: ASM International, 2002. – 499 p. – ISBN 978-0-87170-729-1.
  64. Springer handbook of experimental solid mechanics / ed. by W.N. Sharpe. – Leipzig; New York: Springer Science and Business Media, 2008. – 1098 p. – ISBN 978-0-387-26883-5.
  65. Головин Г.Ф., Замятнин М.М. Высокочастотная термическая обработка: вопросы металловедения и технологии. – Л.: Машиностроение, 1990. – 239 с.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».