Анализ и выбор композиционного материала для изготовления изделий на этапе конструкторской подготовки производства

Цель – анализ и выбор новых материалов на этапе конструкторской подготовки производства изделий из композитов для замены общепринятых конструкционных металлов. В работе использовалась методика многокритериального анализа мультивариантных систем, основанная на матричном анализе. В качестве параметров сравнения, используемых в методике, могут выступать общеизвестные справочные данные, рекомендации по результатам научных исследований материалов, технико-экономические и качественные параметры методов формообразования изделий из этих материалов с учетом их специфических свойств. Проведен сравнительный анализ восьми разных материалов для конструирования изделий из полимерных композитов, ориентированный на замену общепринятых конструкционных материалов, при трех условиях сопоставимости. Первое условие – учет всех выбранных для сравнения физико-механических свойств материалов и их стоимости. При втором условии сопоставимости акцент сделан на пределы прочности материала, модуль упругости и стоимость. При третьем условии сопоставимости условия частично схожи со вторым условием, за исключением предела прочности на сжатие. Установлено, что наиболее рациональным композитом для конструирования изделий при первом и втором условии сопоставимости является базальтопластик, у которого наибольшее значение весового критериального коэффициента (q) в первом случае равно 0,3947, а во втором – 0,3955. При третьем условии сопоставимости оптимальным вариантом композиционного материала стал также углепластик, у которого достигнуто наибольшее значение q = 0,3341. Предложенная методика позволяет производить анализ и выбор не только материала для изготовления изделий, но и инструментального материала, режимов резания и геометрии инструмента с учетом накопленной в результате эмпирических исследований базы знаний. Произведена апробация разработанной методики при трех условиях сопоставимости. В результате проведенных теоретических исследований установлено, что применение разработанной методики может повысить эффективность подготовки производства в 2–3 раза (в зависимости от сложности оцениваемой системы).

1. Рычков Д.А., Янюшкин А.С., Лобанов Д.В., Базаркина В.В. Совершенствование технологии формообразования высокопрочных стекловолокнистых композиционных материалов на полимерной основе // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). 2012. № 3. С. 150–153. EDN: PDETAD.

2. Плотников В.В., Шалунов Е.П., Смирнов В.М., Миллин А.Б. Жаропрочные и износостойкие железомедные композиционные материалы для деталей тяжело нагруженных пар трения // Актуальные проблемы в машиностроении. 2023. Т. 10. № 3-4. С. 57–62. EDN: TNKYOK.

3. Владимирова Ю.О., Данилов П.Г., Шалунов Е.П. Использование жаропрочных и износостойких материалов для теплонапряженных деталей узлов трения // Современные технологии: проблемы и перспективы: сб. ст. Всерос. науч.-практ. конф. для аспирантов, студентов и молодых ученых (г. Севастополь, 19–22 апреля 2021 г.). Севастополь: Севастопольский государственный университет, 2021. С. 14–18. EDN: KAAKSC.

4. Данилов П.Г., Владимирова Ю.О., Шалунов Е.П. Анализ современных материалов и использование наиболее оптимальных из них для подшипников скольжения коленчатого вала высокофорсированных дизельных двигателей // Актуальные проблемы в машиностроении. 2020. Т. 7. № 3-4. С. 69–76. EDN: FOUXMT.

5. Лобанов Д.В., Владимирова Н.А., Рафанова О.С. Особенности процесса лезвийной обработки полимерных композиционных материалов и формообразования режущего инструмента // Электрофизические методы обработки в современной промышленности: материалы IV Междунар. науч.-практ. конф. молодых ученых, аспирантов и студентов (г. Пермь, 14–15 декабря 2020 г.). Пермь: Пермский национальный исследовательский политехнический университет, 2021. С. 141–144. EDN: ULQBJN.

6. Davim J.P., Reis P., Antonio C.C. Experimental study of drilling glass fiber reinforced plastics (GFRP) manufactured by hand lay-up // Composites Science and Technology. 2004. Vol. 64. Iss. 2. P. 289–297. https://doi.org/10.1016/s0266-3538(03)00253-7. EDN: KJOAAL.

7. Капитонов А.М., Редькин В.Е. Физико-механические свойства композиционных материалов. Упругие свойства: монография. Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2013. 532 с. EDN: RLSKQR.

8. Подгорный Ю.И., Скиба В.Ю., Мартынова Т.Г., Максимчук О.В. Исследование и выбор параметров при проектировании технологических машин: монография. Новосибирск: Новосибирский государственный технический университет, 2020. 260 с. EDN: VZWWWY.

9. Зубарев Ю.М., Приемышев А.В., Заостровский А.С. Качество поверхности при обработке резанием полимерных композиционных материалов // Справочник. Инженерный журнал. 2016. № 9. С. 3–6. https://doi.org/10.14489/hb.2016.09.pp.003-006. EDN: WHMBNT.

10. Пушнин В.Н., Корнев Д.Ю., Вахрушев Н.В., Скиба В.Ю., Парц К.А. Прогнозирование технических характеристик интегрального технологического оборудования // Труды Братского государственного университета. Серия: Естественные и инженерные науки. 2014. Т. 2. С. 97–101. EDN: TFUZMX.

11. Иванцивский В.В., Скиба В.Ю., Степанова Н.П. Методика назначения рациональных режимов поверхностной закалки сталей с использованием концентрированных источников нагрева // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). 2006. № 4. С. 17–19. EDN: OWRQVT.

12. Янюшкин А.С., Лобанов Д.В., Рычков Д.А. Программные продукты для автоматизации подготовки инструментального производства на предприятиях // Ползуновский альманах. 2008. № 4. С. 214–216. EDN: QBSVKN.

13. Татанов П.В., Шнайдер Д.А., Янюшкин А.Р., Янюшкин А.С. Влияние износа оборудования на качество изготовления изделий из композиционных материалов // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2022. № 10. С. 34–41. https://doi.org/10.30987/2223-4608-2022-10-34-41. EDN: OFCPCS.

14. Марков А.М., Маркова М.И., Дронова О.Б. Управление технологической подготовкой механической обработки // Актуальные проблемы в машиностроении. 2016. № 3. С. 511–516. EDN: VWUWGN.

15. Kovalev S.P., Nelyub V.A., Shelofast V.V. Multi-criteria analysis of aircraft structures fracture // Russian Aeronautics. 2015. Vol. 58. Iss. 4. P. 370–375. https://doi.org/10.3103/S1068799815040029. EDN: WVKPKV.

16. Зубарев Ю.М., Солнцев Н.Н., Вебер А.В., Веденов В.Н., Барсуков В.А. Инжиниринг проектной и технологической подготовки производства // Справочник. Инженерный журнал. 2021. № 12. С. 28–31. https://doi.org/10.14489/hb.2021.12.pp.028-031. EDN: KKBTKL.

17. Макаров В.Ф., Туктамышев В.Р., Масленков С.В., Катаев Я.А., Койнов И.И., Трепезаева О.И. Автоматизация конструкторско-технологической подготовки производства на основе синхронного подхода // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2014. № 9. С. 35–39. EDN: STBWZJ.

18. Skorobogatov A., Kobzev V. Fuzzy-multiple approach in design and technology management modeling preparation of production at machine-building enterprises // Sustainable Development and Engineering Economics. 2022. Iss. 3. P. 23–39. https://doi.org/10.48554/SDEE.2022.3.2. EDN: IMNCVA.

19. Kozłowska Ju. Methods of multi-criteria analysis in technology selection and technology assessment: a systematic literature review // Engineering Management in Production and Services. 2022. Vol. 14. Iss. 2. P. 116–137. https://doi.org/10.2478/emj-2022-0021. EDN: GRZITX.

20. Barfod M.B., Salling Kim Bang, Leleur S. Composite decision support by combining cost-benefit and multicriteria decision analysis // Decision Support Systems. 2011. Vol. 51. Iss. 1. P. 167–175. https://doi.org/10.1016/j.dss.2010.12.005. EDN: OLNCJF.

21. Kochetkov A.V., Melnikov P.A., Zakharov O.V., Bobrovskij I.N., Bobrovskij N.M., Kushnikov V.A. Analysis of stationary means of measurement filters with optimum sensitivity // Information Technologies in Science, Management, Social Sphere and Medicine: III International Scientific Conference (Tomsk, 23–26 May 2016). Tomsk: Atlantis Press, 2016. Р. 520–523. EDN: XWUSZF.

22. Yatsalo B., Korobov A., Martínez L. Fuzzy multi-criteria acceptability analysis: a new approach to multi-criteria decision analysis under fuzzy environment // Expert Systems with Applications. 2017. Vol. 84. P. 262–271. https://doi.org/10.1016/j.eswa.2017.05.005. EDN: XMYAAQ.

23. Ilchenko I.A., Pegashkin V.F. Mutual optimization of design and process preparation of production in mechanical engineering // Proceedings of the 16th International Conference on Industrial Manufacturing and Metallurgy (Nizhny Tagil, 17–19 June 2021). Nizhny Tagil, 2022. Vol. 2456. Iss. 1. P. 030028. https://doi.org/10.1063/5.0074789.

24. Лобанов Д.В., Рафанова О.С. Последовательность и критерии выбора оптимального варианта производственной системы // Актуальные проблемы в машиностроении. 2023. Т. 10. № 1-2. С. 21–27. EDN: LPAINJ.

25. Лобанов Д.В., Рафанова О.С. Методика критериального анализа мультивариантных систем // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). 2023. Т. 25. № 1. С. 85–97. https://doi.org/10.17212/19946309-2023-25.1-85-97. EDN: MKIZCO.

26. Францев М.Э., Кирейнов А.В. Результаты сравнительных испытаний композиционных материалов судостроительного назначения на основе стеклянных и базальтовых волокон на полиэфирном связующем на водопоглощение // Транспортные системы. 2019. № 1. С. 41–48. https://doi.org/10.46960/62045_2019_1_41. EDN: VCSVDO.

27. Лобанов Д.В., Сидоренко С.А., Ющенко Д.А., Большешапова А.В. Анализ и рациональный выбор полимерных композиционных материалов для изделий по их физико-механическим свойствам // Актуальные проблемы в машиностроении. 2015. № 2. С. 206–212. EDN: TZDYSF.

28. Лобанов Д.В., Рафанова О.С., Владимирова Н.А. Оценка экономичности лезвийной обработки композиционных материалов // Актуальные проблемы в машиностроении. 2021. Т. 8. № 3-4. С. 30–35. EDN: XKDGBC.

29. Анциферов B.H., Бездудный Ф.Ф., Белянчиков Л.Н., Бецофен С.Я., Бондаренко Г.Г., Бухаров С.В. [и др.]. Новые материалы / под науч. ред. Ю.С. Карабасова. М.: МИСИС, 2002. 736 с.

30. Пелевин Ф.В., Никифоров Н.А., Полежаев Ю.В., Рагуля А.В., Скороход В.В., Уварова К.В. [и др.]. Материалы и покрытия в экстремальных условиях: монография. В 3-х т. Т. 2. М.: Московский гос. техн. ун-т им. Н.Э. Баумана, 2002. 296 с. EDN: VOQAQH.