Дисертації (ТМ)
Постійне посилання зібрання
У зібранні розміщено дисертації, які захищені працівниками кафедри.
Переглянути
Нові надходження
Документ Відкритий доступ Підвищення зносостійкості поверхневого шару зубчатих коліс методом магнітно-імпульсної обробки(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2026) Дубініна, Ольга Тимофіївна; Медведєв, Вадим ВячеславовичДубініна О.Т. Підвищення зносостійкості поверхневого шару зубчатих коліс методом магнітно-імпульсної обробки. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 131 – Прикладна механіка. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2026. Дисертація присвячена підвищенню зносостійкості великомодульних зубчатих коліс закритих передач шляхом застосування магнітно-імпульсної обробки (МІО) як альтернативи або доповнення традиційним методам поверхневого зміцнення. Обґрунтовано, що для важконавантажених передач визначальними є процеси зношування і контактної втоми, які ініціюються та розвиваються в поверхневому шарі зуба під дією високих контактних напружень, абразивного впливу та корозійного середовища. Тому ефективність зміцнення повинна оцінюватися не лише за підвищенням твердості, а й через зміну структурно-дефектного стану приповерхневого шару, зокрема доменно-дислокаційної субструктури матеріалу. Розроблено науково-методичні рекомендації вибору режимів МІО та проєктування індукторних систем для великомодульних зубчатих коліс. На основі дислокаційної теорії та енергетичного аналізу встановлено механізм зміцнення при МІО, що полягає в активації мікропластичних процесів і перебудові доменно-дислокаційної субструктури приповерхневого шару без переходу матеріалу в режим макропластичної деформації. Виконано чисельне моделювання електромагнітного поля в середовищі Ansys Maxwell з урахуванням магнітного насичення матеріалу та еквівалентної частоти імпульсу, що дозволило обґрунтувати глибину проникнення електромагнітного поля та визначити раціональні значення струму індуктора. За результатами чисельного моделювання визначено характер розподілу магнітного поля у зоні контакту зубців, встановлено області максимальної концентрації напруженості магнітного поля та оцінено ефективну глибину проникнення електромагнітного впливу в приповерхневий шар матеріалу. Отримані результати моделювання показали, що електромагнітний вплив зосереджується у приповерхневому шарі зуба та забезпечує формування зміцненого шару саме в найбільш навантажених ділянках великомодульного зубчатого колеса, що підтверджує ефективність застосування магнітно-імпульсної обробки для підвищення зносостійкості робочих поверхонь зубців. Експериментально розроблено й випробувано магнітно-імпульсні установки з енергією імпульсу 50 Дж та до 1000 Дж, удосконалено конструкцію індукторів для багатоімпульсної роботи. Проведені дослідження мікротвердості, мікроструктури та трибологічні випробування підтвердили локальний характер зміцнення; для незагартованих зразків зниження зношування становить 13–30 %. Для попередньо загартованих зразків ефект від МІО є мінімальним, що пояснюється вже сформованим зміцненим структурним станом матеріалу. Зміст роботи складається з чотирьох розділів, у яких послідовно викладено теоретичні, методичні та експериментальні результати дослідження. У вступі наведено загальну характеристику роботи, обґрунтовано актуальність теми дослідження, визначено мету та завдання роботи, сформульовано об’єкт і предмет дослідження. Описано наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, наведено зв’язок роботи з науковими програмами і темами, подано відомості про апробацію результатів дослідження, публікації та структуру дисертаційної роботи. У першому розділі виконано розгорнутий аналіз умов експлуатації великомодульних зубчатих передач та досліджено основні механізми їх руйнування. Розглянуто особливості роботи закритих зубчатих передач у важконавантажених умовах, характер контактної взаємодії зубців та вплив контактних напружень на довговічність передач. Встановлено, що найбільш інтенсивні процеси руйнування виникають у приповерхневому шарі зубців унаслідок абразивного, адгезійного та корозійно-механічного зношування. Досліджено процеси контактної втоми та їх вплив на розвиток мікропітінгу, викришування та заїдання поверхонь зубців. Проаналізовано вплив геометрії зубчатого зачеплення, точності виготовлення та умов змащування на інтенсивність зношування. Показано, що нерівномірність розподілу контактного навантаження по довжині зуба сприяє локальному підвищенню контактних напружень і розвитку втомних процесів у приповерхневому шарі. Проведено аналіз сучасних методів поверхневого зміцнення зубчатих коліс, зокрема термічних, термомеханічних, хіміко-термічних і механічних методів. Розглянуто індукційне гартування, цементацію, азотування, лазерне та плазмове зміцнення, визначено їх переваги та недоліки при застосуванні до великомодульних зубчатих коліс. Встановлено, що традиційні методи характеризуються значними енергетичними витратами, ризиком деформацій та складністю локального зміцнення. Обґрунтовано доцільність застосування магнітно-імпульсної обробки як безконтактного методу зміцнення, що дозволяє формувати зміцнений приповерхневий шар без значного термічного впливу. Розглянуто фізичні основи магнітно-імпульсної обробки, механізми взаємодії імпульсного магнітного поля з металом, а також особливості зміни структурно-дефектного стану матеріалу під дією імпульсного магнітного поля. У другому розділі наведено методичні підходи до дослідження процесу магнітно-імпульсної обробки великомодульних зубчатих коліс. Розглянуто фізичні особливості взаємодії імпульсного магнітного поля з феромагнітним матеріалом зуба з урахуванням явищ магнітного насичення, скін-ефекту та особливостей електромагнітного проникнення. Описано методику визначення найбільш зношуваних ділянок зуба великомодульного колеса. Проведено аналіз зон максимального навантаження, що дозволило встановити ділянки, найбільш схильні до розвитку процесів зношування та втомного руйнування. На основі отриманих результатів визначено області, у яких застосування магнітно-імпульсної обробки є найбільш доцільним для підвищення зносостійкості та довговічності зубчатих передач. Проведено чисельне моделювання розподілу магнітного поля вздовж зуба колеса залежно від конструкції індуктора в середовищі Ansys Maxwell. Досліджено вплив геометрії індуктора, його положення відносно поверхні зуба та параметрів імпульсу на розподіл напруженості магнітного поля і глибину проникнення електромагнітного впливу в приповерхневий шар матеріалу. Отримані результати дозволили оцінити ефективність різних конструкцій індукторів та умови формування зміцненого шару в найбільш навантажених ділянках зуба великомодульного колеса. Встановлено закономірності розподілу напруженості магнітного поля у приповерхневому шарі зубців. Визначено оптимальні параметри індукторної системи та діапазони струму, що забезпечують досягнення необхідного рівня магнітного насичення в робочій зоні. Проведено аналіз глибини впливу магнітно-імпульсної обробки та її відповідності умовам експлуатації зубчатих передач. У третьому розділі описано процес розроблення та створення експериментальних магнітно-імпульсних установок. Проведено розрахунок параметрів індукторів та елементів магнітно-імпульсної установки. Розроблено установку з енергією імпульсу 50 Дж та установку з енергією до 1000 Дж. Удосконалено конструкцію індукторів для забезпечення багатоімпульсного режиму роботи. Проведено дослідження параметрів імпульсів струму, їх амплітуди, тривалості та частоти. Визначено енергетичні параметри імпульсів та їх вплив на глибину зміцнення поверхневого шару. Виконано моделювання електромагнітного поля з урахуванням реальних параметрів установки. Проведено дослідження впливу параметрів магнітно-імпульсної обробки на структурний стан матеріалу. У четвертому розділі наведено результати експериментальних досліджень ефективності магнітно-імпульсної обробки. Проведено дослідження мікротвердості поверхневого шару після обробки при різних режимах. Визначено глибину зміцненого шару та проведено аналіз мікроструктури матеріалу. Проведено трибологічні випробування для оцінювання зносостійкості оброблених зразків після МІО при різних енергетичних параметрах імпульсу та кількості імпульсних впливів. Досліджено залежність втрати маси та інтенсивності зношування від режимів магнітно-імпульсної обробки та умов охолодження. Встановлено залежність інтенсивності зношування від параметрів магнітно-імпульсної обробки, зокрема енергії імпульсу, кількості імпульсів та напруженості магнітного поля. Визначено оптимальні режими обробки, за яких досягається максимальне підвищення зносостійкості без виникнення небажаних структурних змін і розвитку втомних процесів у приповерхневому шарі матеріалу. Проведено математичне моделювання процесу зношування з урахуванням параметрів МІО та умов експлуатації. Встановлено функціональні залежності між параметрами імпульсного впливу та показниками зносостійкості, що дозволило оцінити ефективність магнітно-імпульсної обробки при різних режимах. Отримані результати моделювання дали змогу визначити раціональні області параметрів обробки та розробити рекомендації щодо застосування магнітно-імпульсної обробки у виробничих умовах для підвищення ресурсу великомодульних зубчатих передач. Результати дослідження підтвердили можливість підвищення зносостійкості поверхневого шару великомодульних зубчатих коліс шляхом формування зміцненого приповерхневого шару під дією імпульсного магнітного поля. Встановлено, що застосування магнітно-імпульсної обробки дозволяє зменшити інтенсивність зношування та підвищити довговічність зубчатих передач. Отримані результати обґрунтовують доцільність використання магнітно-імпульсної обробки для зміцнення поверхневого шару великомодульних зубчатих коліс і підтверджують перспективність її промислового впровадження.Документ Відкритий доступ Оптимізація процесу контурного фрезеруванні на верстатах з ЧПК(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2025) Мигович, Артур Володимирович; Петраков, Юрій ВолодимировичМигович А.В. Оптимізація процесу контурного фрезеруванні на верстатах з ЧПК. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 131 – Прикладна механіка. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2025. Дисертація присвячена оптимізації процесу контурного фрезерування на верстатах із ЧПК з урахуванням технологічних і конструкторських обмежень. Запропоновано математичну модель, яка описує взаємодію інструмента й заготовки, а також методи управління режимом різання, що дають змогу визначати оптимальні параметри з урахуванням усіх необхідних обмежень і стабілізувати параметри процесу різання. Розроблене програмне забезпечення автоматизує підбір оптимальних параметрів, підвищуючи продуктивність зберігаючи стабільність процесу. Експериментальні дослідження підтвердили ефективність підходу, забезпечивши суттєве скорочення часу обробки, і навіть за складних контурів. Зміст роботи складається з чотирьох розділів, у яких викладено та обґрунтовано основні результати дисертації. У вступі представлено загальну характеристику дослідження, обґрунтовано його актуальність, а також розкрито зв’язок із науковими програмами, планами і темами. Сформульовано мету та завдання роботи, визначено об’єкт і предмет дослідження, наведено наукову новизну й практичну значущість здобутих результатів. Окремо висвітлено особистий внесок здобувача, а також подано відомості про апробацію, публікації, структуру й обсяг роботи. У першому розділі наведено розгорнутий аналіз процесу контурного фрезерування, який застосовують для формування складних геометричних поверхонь у різних галузях. Проаналізовано методи управління процесом різання за апріорними, поточними та апостеріорними даними. Розглянуто методи стабілізації характеристик різання, такі як швидкість видалення матеріалу (MRR), сила різання та потужність різання, а також наведено їх переваги та обмеження. Здійснено аналіз сучасних CAM-систем та їх модулів, що дозволяють автоматизувати процес контурного фрезерування, зокрема iMachining, Dynamic Motion та інші. Виявлено їхні обмеження у стабілізації та оптимізації процесу різання, що обґрунтовує потребу дослідженнях. На основі огляду літератури сформульовано мету і задачі дослідження, спрямовані на оптимізацію процесу контурного фрезерування на верстатах з ЧПК. У другому розділі наведено опис математичного апарата й алгоритми для створення цифрових масивів, які описують траєкторії формоутворення, контури заготовки та деталі, і є необхідною передумовою моделювання процесу контурного фрезерування. Створено математичну модель процесу контурного фрезерування, яка дозволяє моделювати ключові характеристики процесу різання, зокрема швидкість видалення матеріалу (MRR) і сили різання. Запропоновано прикладну програму, яка автоматизує розрахунки та візуалізує процес обробки контуру. Програма надає можливість прогнозувати характеристики різання, аналізувати ефективність різних режимів і створювати дані для подальшої стабілізації процесу різання за критерієм швидкості видалення матеріалу (MRR) та оптимізації процесу обробки. У третьому розділі розроблено алгоритм управління режимом різання, який забезпечує стабілізацію процесу контурного фрезерування на верстатах з ЧПК за критерієм швидкості видалення матеріалу (MRR). Наведений алгоритм передбачає управління подачею, що дає змогу створити стабільні умови різання. На основі алгоритму створено прикладну програму, яка генерує управляючі програми G-кодів із можливістю дискретизації та адаптації до умов обробки. Представлено моделювання процесу контурного фрезерування за різними стратегіями управління, зокрема SolidCAM і більш просунутим модулем iMachining, а також управлінням подачею за розробленим алгоритмом. Результати експериментальних досліджень на верстаті ЧПК HAAS TM-0P,зі встановленим багатокомпонентним тензометричним датчиком, засвідчили ефективність нового підходу до управління процесом контурного фрезерування. Порівняно з програмою від SolidCAM та системою iMachining, розроблена стратегія управління подачею, орієнтована на стабілізацію швидкості видалення матеріалу (MRR), суттєво скорочує час операції. У четвертому розділі представлено результати оптимізації процесу контурного фрезерування на верстатах з ЧПК. Сформульовано задачу оптимізації, яка передбачає мінімізацію часу обробки при дотриманні технологічних та конструктивних обмежень. Представлено розроблену математичну модель, яка описує взаємозв’язки між компонентами режиму різання та його впливом на різні параметри процесу обробки та показники якості поверхневого шару обробленої поверхні. Наведено створену прикладну програму, яка автоматизує процес вибору оптимального режиму різання. Результати експериментальних досліджень підтвердили адекватність математичної моделі сформульованої задачі оптимізації. Доведено, що нове оптимізоване управління суттєво скоротило цикл процесу контурного фрезерування порівняно з рішеннями SolidCAM, iMachining та управлінням для стабілізації швидкості видалення матеріалу. Продемонстровано можливість практичного впровадження розробленого підходу для прогнозування та вибору оптимальних режимів різання.Документ Відкритий доступ Усунення вібрацій при кінцевому фрезеруванні на верстатах з ЧПК(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2024) Сікайло, Максим Олександрович; Петраков, Юрій ВолодимировичСікайло М.О. Усунення вібрацій при контурному фрезеруванні на верстатах з ЧПК. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 131 – Прикладна механіка. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2023. Дисертаційна робота присвячена вирішенню проблеми виникнення вібрацій при фрезеруванні кінцевими фрезами на верстатах з ЧПК. Існують пасивні та активні методи зменшення вібрацій в процесі фрезерування, але вони потребують втручання в конструкцію верстату та/або інструменту, що є вартісним і неуніверсальним. Також ефект зменшення вібрацій можна досягти за рахунок вибору «безвібраційних» режимів різання, які можна зобразити на пелюстковій діаграмі сталості. Це стало можливим завдяки широкому використанню верстатів з ЧПК та сучасних інструментальних матеріалів, що дозволяє сподіватися на значну ефективність від впровадження такого підходу для більшості процесів різання. На виробництві такий режим найчастіше знаходять експериментальним методом проб і помилок. Визначити «безвібраційний» режим різання попередньо, на етапі підготовки управляючої програми, можливо за діаграмою сталості. Проте, для вирішення такої проблеми і досі не створено простих дієвих способів і комп’ютерних засобів, які можуть бути використані безпосередньо на виробництві. Існують декілька методів створення діаграми сталості, однак з причини відсутності загальної моделі про процес різання з урахування зворотних зав’язків в пружній ТОС втрачається адекватність представлення процесу. Експериментальний метод є більш точним, але він неуніверсальний, бо використовується для конкретного верстату, заготовки та інструменту. Для ідентифікації таких режимів різання був створений програмний застосунок, який в автоматичному режимі будує діаграму сталості процесу фрезерування. В програмний застосунок покладена розроблена математична модель процесу кінцевого фрезерування 4-го порядку, що враховує замкненість пружної динамічної системи у вигляді одномасової з двома степенями свободи і додатково замкненої через позитивний зворотний зв'язок за двома координатами через функцію запізнення. Визначення границі сталості відбувається за новим критерієм сталості Найквіста. Моделювання процесу відбувається як в часовому, так і в частотному просторі. Запропонована методика та апаратні засоби для ідентифікації динамічних характеристик технологічної обробляючої системи, а саме: частоти власних коливань, жорсткості та коефіцієнту затухання коливань. Для апробації отриманих результатів був проведений експеримент, який складається з двох етапів. На першому етапі були ідентифіковані динамічні параметри системи верстат-заготовка-інструмент, та автоматично побудована діаграма сталості. На другому етапі були оброблені заготовки на режимах різання, які відповідають отриманій діаграмі сталості. Результати показали дієвість нового критерію сталості Найквіста, та отриманої діаграми сталості. Зміст роботи складається з п’яти розділів, у яких викладено та обґрунтовано основні результати дисертації. У вступі наведена загальна характеристика роботи, обґрунтовано актуальність теми дослідження, розкритий зв'язок роботи з науковими програмами, планами та темами, сформульована мета, завдання, об’єкт та предмет дослідження, вказана наукова новизна та практичне значення одержаних результатів, визначений особистий внесок здобувача, наведені дані про апробацію, публікації, структуру та обсяг роботи. У першому розділі описаний процес фрезерування кінцевими фрезами, наведені причини поширеного застосування даного методу лезового оброблення. Наведена системна класифікація вібрацій які виникають в технологічній оброблюваній системі, причини їх виникнення і негативні наслідки, які вони спричиняють. Сформульована актуальність дослідження питання усунення вібрацій при контурному фрезерування на верстатах з ЧПК. Проведено огляд та аналіз методів усунення вібрацій при лезовому обробленні, такі як активні та пасивні методи. Розглянуто існуючі методи побудови діаграми сталості, побудова якої дозволяє вибрати «безвібраційні» режими різання. Вказано на недоліки та переваги кожного з методів. Описано параметри, необхідні для побудови діаграми сталості. Вказано що основним чинником виникнення вібрацій є оброблення «за слідом». Виходячи з результатів аналізу літератури була сформульована мета і задачі досліджень. У другому розділі наведений детальний опис математичної моделі. Розроблена математична модель, яка представляє динамічну обробну систему як одномасову з двома степенями свободи, що охоплена негативними зворотними зв’язками за напрямом двох координат. Оброблення за слідом представлене у вигляді позитивних зворотних зв’язків з функцією запізнення в кожному. Математична модель представлена у формі змінних стану, що дозволяє застосувати чисельні методи моделювання для визначення як перехідних, так і частотних характеристик. Представлені розрахункові схеми та структурні схеми. У третьому розділі детально описано створену прикладну програму, яка моделює процес фрезерування кінцевими фрезами у часовому та частотному просторі. Також вона автоматично будує пелюсткову діаграму сталості. Програма враховує частоту власних коливань по кожній осі, коефіцієнт затухання коливань, жорсткість по осям, ширину різання, діаметр фрези та кількість зубів, також параметри заготовки у вигляді коефіцієнтів різання. Описаний новий критерій сталості Найквіста для процесу фрезерування кінцевими фрезами, та створений алгоритм автоматичної побудови діаграми сталості. Дієвість нового критерію сталості Найквіста підтверджена за допомогою моделювання процесу фрезерування для різних варіацій ТОС у часовому та частотному просторі. У четвертому розділі проведений огляд апаратних засобів які використовуються для визначення динамічних характеристик ТОС. А саме, визначення жорсткості та частотної характеристики. Створена вимірювальна система для фіксації силових характеристик ТОС, описані основні параметри та схеми підключення. Система складається з підсилювачів, багатокомпонентного динамометра, спеціального програмного засобу який дозволяє фіксувати силові характеристики. Запропоновані та апробовані на практиці схеми наладки для вимірювання жорсткості та знаходження частоти власних коливань ТОС. Вони дозволяють оперативно визначити динамічні параметри конкретної оброблюваної системи на підприємстві, що дозволяє технологу-оператору верстату автоматично побудувати діаграму сталості саме для його варіанту оброблення. Експериментальним методом знайдені динамічні параметри вертикально-фрезерного верстату мод. 6М13, обробляючого центру з ЧПУ XYZ VMC 1010. У п’ятому розділі представлена побудована діаграма сталості для обробляючого центру з ЧПУ XYZ VMC 1010. Вибрані режими різання та інструмент для проведення експерименту з фрезерування на верстаті. Адекватність отриманих результатів підтверджена як комп’ютерним моделюванням, так і натурним експериментом фрезерування при режимах різання, які потрапляють в область сталості та несталості на графіку SLD. Оцінка рівня вібрацій в системі виконувалась за профілографами шорсткості оброблених на різних режимах поверхонь.