Design simulation of modular abrasive tool

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. Grinding is one of the most common types of finishing. It allows the production of surfaces with the required quality parameters and is one of the most available and productive methods for machining high-strength and difficult-to-machine materials. Grinding wheels represent the most prevalent application of grinding technology in mechanical engineering. The use of this abrasive tool helps to increase processing productivity by ensuring the removal of a significant layer of material. In addition, grinding wheels have a longer service life and are widely used in the implementation of hybrid technologies based on the combination of mechanical (abrasive), electrical, chemical, and thermal effects in various combinations. A variety of tool body shapes and types of abrasives allow the use of wheels in a wide variety of production areas. One of the ways to analyze and design a new tool is numerical simulation. In this research, graphic modeling was selected as the most appropriate method for representing the future design of the tool. This approach allows for a more straightforward conceptualization process compared to other modeling techniques. The purpose of the work is to simulate a modular abrasive tool in order to analyze and synthesize structures to increase the efficiency of tool support for the manufacture of products made of high-strength and difficult-to-process materials using traditional or hybrid processing technologies. Research methodology. Theoretical studies are carried out using the basic principles of system analysis, geometric theory of surface formation, cutting tool design, graph theory, mathematical and computer simulation. To solve the problem, we have studied the available designs of modular grinding wheels. There has also been the analysis of the types of abrasive parts, methods of fastening of the abrasive cutting part on the wheel’;s body, the materials used for the manufacture of the body, the characteristics of the body of the wheel, and fastening schemes. Results and discussions. A simulation technique based on graphic modelling theory has been developed. A comprehensive investigation of the existing design of the grinding wheel has enabled the identification of the key structural elements that define its design. The data obtained has been used to create a generalized graphic simulation of a modular abrasive tool. This simulation integrates all the components and displays a conditional constructive relationship between them. The developed design methodology was tested on an example of two designs of modular grinding wheels. The theoretical studies established that the design efficiency of modular abrasive tools can be increased by 2–4 times by using the developed simulation technique.

About the authors

D. V. Lobanov

Email: lobanovdv@list.ru
ORCID iD: 0000-0002-4273-5107
D.Sc. (Engineering), Associate Professor, I. N. Ulianov Chuvash State University, 15 Moskovsky Prospekt, Cheboksary, 428015, Russian Federation, lobanovdv@list.ru

V. Yu. Skeeba

Email: skeeba_vadim@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-8242-2295
Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Novosibirsk State Technical University, 20 Prospekt K. Marksa, Novosibirsk, 630073, Russian Federation, skeeba_vadim@mail.ru

I. S. Golyushov

Email: ivan.golyushov.97@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-9757-1368
I. N. Ulianov Chuvash State University, 15 Moskovsky Prospekt, Cheboksary, 428015, Russian Federation, ivan.golyushov.97@mail.ru

V. M. Smirnov

Email: vms53@inbox.ru
ORCID iD: 0000-0003-2721-9849
Ph.D. (Physics and Mathematics), Associate Professor, I. N. Ulianov Chuvash State University, 15 Moskovsky Prospekt, Cheboksary, 428015, Russian Federation, vms53@inbox.ru

E. A. Zverev

Email: zverev@corp.nstu.ru
ORCID iD: 0000-0003-4405-6623
Ph.D. (Engineering), Novosibirsk State Technical University, 20 Prospekt K. Marksa, Novosibirsk, 630073, Russian Federation, zverev@corp.nstu.ru

References

  1. Старков В.К. Шлифование высокопористыми кругами. – М.: Машиностроение, 2007. – 688 с. – ISBN 978-5-217-03386-7.
  2. Влияние на вероятность удаления материала относительных вибраций абразивного инструмента и заготовки при чистовом шлифовании / С.М. Братан, С.И. Рощупкин, А.С. Часовитина, К. Гупта // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2022. – Т. 24, № 1. – С. 33–47. – doi: 10.17212/1994-6309-2022-24.1-33-47.
  3. Керамические нанокомпозиты на основе диборида циркония / Е.Г. Скрипняк, Д.В. Лобанов, В.В. Скрипняк, А.С. Янюшкин, В.А. Скрипняк, Д.А. Рычков // Системы. Методы. Технологии. – 2011. – № 2 (10). – С. 95–98.
  4. Саютин Г.И., Носенко В.А., Богомолов Н.И. Выбор инструмента и СОЖ при шлифовании титановых сплавов // Станки и инструмент. – 1981. – № 11. – С. 15–17.
  5. Шлифовальный инструмент на основе силикокарбида титана / Г.И. Смагин, В.Н. Филимоненко, Н.Д. Яковлев, М.А. Корчагин, В.Ю. Скиба // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2011. – № 1 (50). – С. 27–30.
  6. Новоселов Ю.К., Братан С.М., Богуцкий В.Б. Влияние случайной составляющей отклонений профиля инструмента на динамику процесса круглого наружного шлифования // Наукоемкие технологии в машиностроении. – 2016. – № 5 (59). – С. 10–17.
  7. Повышение эффективности концевого алмазного абразивного инструмента на металлической связке за счет совершенствования технологии изготовления / В.М. Смирнов, Д.В. Лобанов, В.Ю. Скиба, И.С. Голюшов // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2021. – Т. 23, № 2. – С. 66–80. – doi: 10.17212/1994-6309-2021-23.2-66-80.
  8. Высокоскоростное шлифование жаропрочного никелевого сплава ЖС6-К / А.Ю. Попов, Д.С. Реченко, К.В. Аверков, В.А. Сергеев // СТИН. – 2012. – № 2. – С. 32–34.
  9. Макаров В.М. Комплексированные технологические системы: перспективы и проблемы внедрения // Ритм: Ремонт. Инновации. Технологии. Модернизация. – 2011. – № 6 (64). – С. 20–23.
  10. 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.
  11. Mitsuishi M., Ueda K., Kimura F. Manufacturing systems and technologies for the new frontier: the 41st CIRP Conference on Manufacturing Systems, May 26–28, Tokyo. – London: Springer-Verlag, 2008. – 556 p. – ISBN 978-1-84800-267-8. – doi: 10.1007/978-1-84800-267-8.
  12. Hybrid processes in manufacturing / B. Lauwers, F. Klocke, A. Klink, A.E. Tekkaya, R. Neugebauer, D. Mcintosh // CIRP Annals. – 2014. – Vol. 63 (2). – P. 561–583. – doi: 10.1016/j.cirp.2014.05.003.
  13. Garro O., Martin P., Veron M. Shiva a multiarms machine tool // CIRP Annals – Manufacturing Technology. – 1993. – Vol. 42 (1). – P. 433–436. – doi: 10.1016/S0007-8506(07)62479-2.
  14. 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.
  15. Brecher C., Özdemir D. Integrative production technology: theory and applications. – Cham: Springer International, 2017. – 1100 p. – ISBN 978-3-319-47451-9. – ISBN 978-3-319-47452-6. – doi: 10.1007/978-3-319-47452-6.
  16. Moriwaki T. Multi-functional machine tool // CIRP Annals – Manufacturing Technology. – 2008. – Vol. 57 (2). – P. 736–749. – doi: 10.1016/j.cirp.2008.09.004.
  17. Иванцивский В.В., Скиба В.Ю. Гибридное металлообрабатывающее оборудование. Технологические аспекты интеграции операций поверхностной закалки и абразивного шлифования. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2019. – 348 с. – ISBN 978-5-7782-3988-3.
  18. 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.
  19. Sun S., Brandt M., Dargusch M.S. Thermally enhanced machining of hard-to-machine materials – A review // International Journal of Machine Tools and Manufacture. – 2010. – Vol. 50 (8). – P. 663–680. – doi: 10.1016/j.ijmachtools.2010.04.008.
  20. 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.
  21. Скиба В.Ю., Иванцивский В.В. Повышение эффективности поверхностно-термического упрочнения деталей машин в условиях совмещения обрабатывающих технологий, интегрируемых на единой станочной базе // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2021. – Т. 23, № 3. – С. 45–71. – doi: 10.17212/1994-6309-2021-23.3-45-71.
  22. 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.
  23. Макаров В.М., Лукина С.В. Уникальная синергия гибридных станков // Ритм: Ремонт. Инновации. Технологии. Модернизация. – 2016. – № 8. – С. 18–25.
  24. Madhavulu G., Ahmed B. Hot machining process for improved metal removal rates in turning operations // Journal of Materials Processing Technology. – 1994. – Vol. 44. – P. 199–206. – doi: 10.1016/0924-0136(94)90432-4.
  25. Laser-assisted grinding of silicon nitride ceramics: Micro-groove preparation and removal mechanism / C. Wu, T. Zhang, W. Guo, X. Meng, Z. Ding, S.Y. Liang // Ceramics International. – 2022. – Vol. 48 (21). – P. 32366–32379. – doi: 10.1016/j.ceramint.2022.07.180.
  26. Rao T.B. Reliability analysis of the cutting tool in plasma-assisted turning and prediction of machining characteristics // Australian Journal of Mechanical Engineering. – 2020. – Vol. 20. – P. 1020–1034. – doi: 10.1080/14484846.2020.1769458.
  27. Cryogenic and hybrid induction-assisted machining strategies as alternatives for conventional machining of refractory tungsten and niobium / M. Olsson, V. Akujärvi, J.-E. Ståhl, V. Bushlya // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2021. – Vol. 97. – P. 105520. – doi: 10.1016/j.ijrmhm.2021.105520.
  28. 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.
  29. Патент на полезную модель № 145108 U1 Российская Федерация, МПК B23H 5/10. Абразивный круг для электрохимического шлифования с параллельным расположением токопроводящих вставок: № 2014105639/02: заявл. 14.02.2014: опубл. 10.09.2014 / А.С. Янюшкин, Д.А. Рычков, Д.В. Лобанов, В.Ю. Попов, А.А. Сурьев, П.В. Архипов, А.М. Кузнецов, О.И. Медведева; заявитель Братский государственный университет.
  30. The research into the effect of conditions of combined electric powered diamond processing on cutting power / D.V. Lobanov, P.V. Arkhipov, A.S. Yanyushkin, V.Yu. Skeeba // Key Engineering Materials. – 2017. – Vol. 736. – P. 81–85. – doi: 10.4028/ href='www.scientific.net/KEM.736.81' target='_blank'>www.scientific.net/KEM.736.81.
  31. Патент № 2489236 C2 Российская Федерация, МПК B23H 5/06. Способ электроабразивной обработки токопроводящим кругом: № 2011122895/02: заявл. 06.06.2011: опубл. 10.08.2013 / В.А. Мишин, М.А. Борисов, Д.В. Александров.
  32. Албагачиев А.Ю., Яшков В.А. Внутреннее шлифование на основе сборных абразивных кругов // РИТМ: Ремонт. Инновации. Технологии. Модернизация. – 2014. – № 5 (93). – С. 102–104.
  33. Козлов А.М., Долгих П.П., Косых А.Е. Влияние несимметричности хвостовика на работу сборного прерывистого шлифовального круга // Современные фундаментальные и прикладные исследования. – 2011. – № 3. – С. 72–76.
  34. Косых А.Е. Влияние угла поворота сегмента сборного круга с упруго-демпфирующим элементом на производительность шлифования // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. – 2011. – № 2-3 (286). – С. 3–6.
  35. Худобин Л.В., Муслина Г.Р., Правиков Ю.М. Сборные шлифовальные круги и их технологические возможности // Справочник. Инженерный журнал. – 2019. – № 6 (267). – С. 21–29. – doi: 10.14489/hb.2019.06.pp.021-029.
  36. Богуцкий В.Б. Оценка применения абразивного инструмента с прерывистой поверхностью для заточки инструментов из быстрорежущих сталей // Журнал технических исследований. – 2019. – Т. 5, № 4. – С. 3–8.
  37. Roshchupkin S. Kharchenko A. Method of building dynamic relations, estimating product and grinding circle shape deviations // MATEC Web of Conferences. – 2018. – Vol. 224. – P. 01001. – doi: 10.1051/matecconf/201822401001.
  38. Козлов А.М., Косых А.Е. Определение критической ширины сегмента сборных прерывистых шлифовальных кругов // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. – 2011. – № 4-3 (288). – С. 19–23.
  39. Домбрачев А.Н. Разработка автоматизированной системы определения сложности и прогнозной трудоемкости изготовления деталей инструментального производства: дис. … канд. техн. наук. – Ижевск, 2005. – 128 с.
  40. Голобурдин Д.А., Козлов А.М. Анализ абразивного инструмента прерывистого резания // За нами будущее: взгляд молодых ученых на инновационное развитие общества : сборник научных статей Всероссийской молодежной научной конференции: в 4 т., Курск, 5 июня 2020 года. – Курск, 2020. – Т. 3. – С. 227–231.
  41. Реченко Д.С. Повышение качества высокоскоростного затачивания твердосплавных инструментов алмазными кругами с прерывистой поверхностью: дис. … канд. техн. наук. – Омск, 2009. – 162 с.
  42. Лукина С.В. Повышение эффективности проектирования сборного режущего инструмента на базе установленных взаимосвязей конструкторско-технологических и экономических решений: дис. … д-ра техн. наук. – М., 1999. – 448 с.
  43. Лялин В.Е. Математические модели и интеллектуальные информационные технологии для повышения эффективности организации производства: автореф. дис. … д-ра экон. наук. – М., 2006. – 48 с.
  44. Рычков Д.А. Совершенствование процесса подготовки режущего инструмента при фрезеровании стеклотекстолита: дисс. … канд. техн. наук. – Иркутск, 2011. – 190 с.
  45. Чемборисов Н.А. Профилирование дисковых режущих инструментов для обработки винтовых поверхностей цилиндрических и конических деталей: дис. … д-ра техн. наук. – Казань, 2003. – 399 с.
  46. Емельянов С.Г., Куц В.В. Графовые модели конструирования и изготовления сборных дисковых фрез // СТИН. – 1999. – № 5. – С. 20–22.
  47. Патент № 2644225 C1 Российская Федерация, МПК B24D 3/06, B24D 3/34. Связка на основе меди для изготовления алмазного инструмента: № 2017114103: заявл. 24.04.2017: опубл. 08.02.2018 / В.М. Смирнов, Е.П. Шалунов, Д.А. Тимофеев; заявитель Чувашский государственный университет им. И.Н. Ульянова.
  48. ГОСТ Р 52381–2005 (ИСО 8486-1:1996, ИСО 6344-2:1998, ИСО 9138:1993, ИСО 9284:1992). Материалы абразивные. Зернистость и зерновой состав шлифовальных порошков. Контроль зернового состава. – М.: Стандартинформ, 2005. – 15 с.
  49. ГОСТ 21445–84 (СТ СЭВ 4403–83). Материалы и инструменты абразивные. Термины и определения. – М.: Стандартинформ, 1984. – 26 с.
  50. ГОСТ Р 52781–2007. Круги шлифовальные и заточные. Технические условия. – М.: Стандартинформ, 2020. – 32 с.
  51. Патент на полезную модель № 55665 U1 Российская Федерация, МПК B24D 17/00. Шлифовальный круг для алмазно-абразивной обработки: № 2006111080/22: заявл. 05.04.2006: опубл. 27.08.2006 / Д.С. Реченко, Ю.Р. Нуртдинов, А.Ю. Попов; заявитель Омский государственный технический университет.
  52. Патент на полезную модель № 101666 U1 Российская Федерация, МПК B24D 7/06. Шлифовальный круг для высокоскоростной обработки: № 2010139548/02: заявл. 24.09.2010: опубл. 27.01.2011 / А.Ю. Попов, Д.С. Реченко, К.В. Аверков; заявитель Омский государственный технический университет.

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».