Hybrid Process Equipment: Improving the Efficiency of the Integrated Metalworking Machines Initial Designing

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. Creating of a new process equipment begins with the development of a draft proposal, i.e. the general concept of the design object. A recent analysis emphasized that it is this stage (including exploratory design, specifications development and draft proposal) that accounts for up to 80% of the process equipment manufacturing and operating cost. With the task being complex itself, the mistakes made at the early design stages lead to a sharp increase in labor costs for their correction. Developing the concept of a future hybrid process equipment is a difficult task to formalize. Since multitask machine complex combine various methods of product processing during geometry generation and changing the surface properties, there is a high probability of compatibility problems of the integrated subsystems and components. This is due to the systems design and layout complexity, harmonization of the multitask machine operating characteristics, compatibility of the machine control principles for solving spatial trajectory tasks and ensuring the accuracy of geometry generation. The purpose of the study is to increase the effectiveness of the initial stages of the hybrid metalworking complexes designing based on the structural synthesis of the machine geometry generation systems and the prediction of their technical characteristics. Methods: Theoretical studies were based on the principles of system analysis, geometric theory of the surfaces formation, design of metal-working machines, as well as finite elements method, mathematical and computer simulation. Results and discussion. We present an original methodology for conducting structural kinematic analysis for exploratory design of hybrid metalworking equipment. Theoretical studies have established that the hybrid metalworking systems design efficiency can be increased 6.092... 18.297 times using the methodology of exploratory design. Since the developed design methodology was approved, we proposed the implementation scheme for the hybrid metalworking process equipment. The use of the proposed hybrid machine will increase the efficiency of metalworking in general: the machine parts manufacturing performance will significantly rise owing to the implementation of surface hardening processes by high-energy heating with high-frequency currents and mechanical processing on the same technological site without intermediate re-installation of the workpieces and tools.

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

References

  1. 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.
  2. Макаров В.М. Комплексированные технологические системы: перспективы и проблемы внедрения // Ритм: Ремонт. Инновации. Технологии. Модернизация. – 2011. – № 6 (64). – С. 20–23.
  3. Brecher C., Özdemir D. Integrative production technology: theory and applications. – [S. l.]: Springer International Publ., 2017. – 1100 p. –ISBN 978-3-319-47451-9. – doi: 10.1007/978-3-319-47452-6.
  4. 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. – eBook ISBN 978-1-84800-267-8. – doi: 10.1007/978-1-84800-267-8.
  5. 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.
  6. Hybrid processes in manufacturing / B. Lauwers, F. Klocke, A. Klink, A.E. Tekkaya, R. Neugebauer, D. Mcintosh // CIRP Annals – Manufacturing Technology. – 2014. – Vol. 63, iss. 2. – P. 561–583. – doi: 10.1016/j.cirp.2014.05.003.
  7. 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.
  8. 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.
  9. 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.
  10. Research of influence electric conditions combined electrodiamond processing by on specific consumption of wheel* / D.V. Lobanov, P.V. Arkhipov, A.S. Yanyushkin, V.Yu. Skeeba // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2016. – Vol. 142. – P. 012081. – doi: 10.1088/1757-899X/142/1/012081.
  11. 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.
  12. Effects of turn-milling conditions on chip formation and surface finish [Electronic resource] / K.R. Berenji, U. Karagüzel, E. Özlü, E. Budak // CIRP Annals – Manufacturing Technology. – 2019. – URL: https://doi.org/10.1016/j.cirp.2019.04.067 (accessed: 14.05.2019).
  13. Efficiency of hybrid equipment combining operations of surface hardening by high frequency currents and abrasive grinding / V.Yu. Skeeba, V.V. Ivancivsky, N.V. Vakhrushev, K.A. Parts, G.O. Cha // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. – 2018. – Vol. 194, iss. 2. – P. 022038. – doi: 10.1088/1755-1315/194/2/022038.
  14. Salonitis K., Chondros T., Chryssolouris G. Grinding wheel effect in the grind-hardening process // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2008. – Vol. 38, iss. 1–2. – P. 48–58. – doi: 10.1007/s00170-007-1078-9.
  15. Иванцивский В.В., Скиба В.Ю. Совмещение операций поверхностной закалки и финишного шлифования на одном технологическом оборудовании // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2006. –№ 1 (30). – С. 16–18.
  16. 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.
  17. 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.
  18. 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.
  19. 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.
  20. 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.
  21. 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, no. 10. – P. 901–905. – doi: 10.3103/S1068798X17100112.
  22. 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, no. 2. – P. 78–86. – doi: 10.20965/ijat.2007.p0078.
  23. 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, no. 2. – P. 87–93. – doi: 10.20965/ijat.2007.p0087.
  24. Introduction to precision machine design and error assessment / ed. by S. Mekid. – Boca Raton: CRC Press, 2008. – 302 p. – ISBN-10: 0849378869. – ISBN-13: 978-0849378867. – (Mechanical and Aerospace Engineering Series).
  25. Ивахненко А.Г., Куц В.В. Структурно-параметрический синтез технологических систем: монография. – Курск: Курский гос. техн. ун-т, 2010. – 151 с.
  26. 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.
  27. Повышение эффективности проектирования гибридного металлообрабатывающего оборудования, объединяющего механическую и поверхностно-термическую операции: отчет о научно-исследовательской работе по проекту № 9.11829.2018/11.12 / В.Ю. Скиба, В.В. Иванцивский, О.В. Нос, Е.А. Зверев, Т.Г. Мартынова, Н.В. Вахрушев, Ю.В. Ванаг, К.А. Титова, Г.О. Ча, П.Ю. Скиба. – № ГР АААА-А18-118062290029-8. – Новосибирск, 2018. – 197 c.
  28. Bamberg E. Principles of rapid machine design: doctor of philosophy diss. / Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Mechanical Engineering. – Cambridge, 2000. – 212 p.
  29. Luo X., Qin Y. Hybrid machining: theory, methods, and case studies. – London: Academic Press, 2018. – 326 p. – ISBN 9780128130599. – eISBN 9780128131138. – doi: 10.1016/C2016-0-04527-8.
  30. Shinno H., Hashizume H. Structured method for identifying success factors in new product development of machine tools // CIRP Annals – Manufacturing Technology. – 2002. – Vol. 51, iss. 1. – P. 281–284. – doi: 10.1016/S0007-8506(07)61517-0.
  31. Moriwaki T., Nunobiki M. Object-oriented design support system for machine tools // Journal of Intelligent Manufacturing. – 1994. – Vol. 5, iss. 1. – P. 47–54. – doi: 10.1007/BF00124686.
  32. Brecher C., Spachtholz G., Paepenmüller F. Developments for high performance machine tool spindles // CIRP Annals – Manufacturing Technology. – 2007. – Vol. 56, iss. 1. – P. 395–399. – doi: 10.1016/j.cirp.2007.05.092.
  33. Method for the optimization of kinematic and dynamic properties of parallel kinematic machines / R. Neugebauer, W.G. Drossel, C. Harbecker, S. Ihlenfeldt, S. Hensel // CIRP Annals – Manufacturing Technology. – 2006. – Vol. 55, iss. 1. – P. 403–406. – doi: 10.1016/S0007-8506(07)60445-4.
  34. Kapur K.C., Lamberson L.R. Reliability in engineering design. – New Delhi: Wiley, India, 2009. – 608 p. – ISBN 9788126522453.
  35. Федотенок A.A. Кинематическая структура металлорежущих станков. – М.: Машиностроение, 1970. – 408 с.
  36. Птицын С.В., Левицкий Л.В. Структурный анализ и синтез кинематики металлорежущих станков. – Киев: УМКВО, 1989. – 70 с.
  37. Казанцев М.Е. Построение структурных схем станков и настройки исполнительных движений. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1997. – 54 с.
  38. Врагов Ю.Д. Анализ компоновок металлорежущих станков (Основы компонетики). – М.: Машиностроение, 1978. – 208 е.
  39. Ивахненко А.Г. Концептуальное проектирование металлорежущих систем. Структурный синтез. – Хабаровск: Изд-во ХГТУ, 1998. – 124 с.
  40. 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.
  41. 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.
  42. Чёсов Ю.С., Птицын С.В. Проектирование металлорежущего оборудования. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2005. – 105 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».