Легендарная инженерная программа UIUC решает сложные производственные проблемы

Университет Иллинойса в Урбане-Шампейне (UIUC; Урбана, Иллинойс) имеет долгую выдающуюся историю и традиции в области механических и прикладных инженерных наук, и вскоре университет отметит открытие давно запланированного многомиллионного расширения. в здание машиностроения и инженерии (MechSE).

UIUC был домом для многих известных выпускников, которые преуспели в качестве предпринимателей, создав такие компании, как Netscape, Advanced Micro Devices, PayPal, Oracle, Lotus Software, YouTube и Tesla Motors, и это лишь некоторые из них.

В рамках косметического ремонта программа UIUC Transform MEB (машиностроение) включает пожертвование в размере 12 миллионов долларов от выпускника Сидни Лу (BSME '81), председателя и генерального директора производителя компьютеров и смартфонов Foxconn Interconnect (Тайвань), который производит Apple iPad. и iPhone.

Пристройка к восточному крылу будет называться Центром обучения и инноваций Лу. Этот проект включает в себя пятиэтажную пристройку к востоку от MEB, одноэтажную пристройку к северу и 66 000 футов² (20 117 м²) существующего пространства, переосмысленного, реконструированного и оптимизированного для образования, инноваций и сообщества, согласно UIUC.

Помимо расширения, в октябре 2017 года UIUC MechSE объявил, что Национальный научный фонд наградил университет научно-исследовательским и инженерным центром материалов (MRSEC), при этом центр получил шестилетний грант в размере 15,6 миллиона долларов, посвященный новым наноматериалам. Это объявление последовало за тем, как NSF выделил UIUC 18,5 млн долларов на создание нового Центра инженерных исследований NSF под руководством профессора MechSE Эндрю Аллейна. Этот центр под названием «Оптимизация энергопотребления электротермических систем» (POETS) фокусируется на тепловых и электрических проблемах, связанных с мобильной электроникой и конструкцией транспортных средств как единой системы.

«Мы хотим увеличить общую удельную мощность автомобилей в 10–100 раз. Это приведет к экономии миллиардов литров топлива и почти удвоит запас хода электромобиля», — сказал Аллейн, профессор Ральфа и Кэтрин Фишер в MechSE, в своем заявлении. «Сегодняшние электрические технологии достигли своего теплового предела. Системный подход — единственный способ выйти за рамки современного уровня техники».

В недавней беседе с журналом «Производственная инженерия» Пласид Мэтью Феррейра из UIUC, профессор Тунгчао Джулия Лу и бывший руководитель отдела MechSE, а также Шив Гопал Капур, председатель Грейс Викал Готье и профессор машиностроения и инженерии, описали широкий спектр исследований в отдел.

«Нас называют MechSE, что означает машиностроение и машиностроение, потому что некоторое время назад отдел машиностроения и отдел теоретической и прикладной механики объединились», — сказал Феррейра. «Кафедра охватывает механические науки и машиностроение, переходя от более фундаментальных — теоретических основ машиностроения, таких как механика, транспортные явления, механика твердого тела, механика жидкости, теория управления, кинематика, динамика — к более прикладным областям, таким как двигатели внутреннего сгорания. , мехатроника, кондиционирование воздуха и охлаждение, робототехника, производственные процессы, производственные системы, биомеханика и поведение материалов.

«Это очень широкая группа, и в этой экосистеме механических наук и техники производство играет довольно важную роль как с точки зрения производственных процессов, так и с точки зрения производственных систем», — продолжил Феррейра. «Мы используем теоретический опыт отдела в таких вещах, как механика твердого тела, процессы затвердевания с точки зрения динамики и управления. Мы сводим эти вещи к моделированию или производственным процессам, проектированию станков и контролю производственных процессов. Мы даже занимаемся облачным производством. Мы берем аспекты вычислительной науки и переходим к моделированию производственных процессов».

Этот широкий подход использует опыт отдела, охватывающий различные производственные дисциплины, такие как вычислительная гидродинамика для моделирования и моделирования процессов, добавил Феррейра. «[Это помогает нам] понять поведение материала, например, когда мы смотрим на процесс обработки, а также куда мы движемся в этих областях в облаке производственных систем; мы называем это киберсистемами».

Развитие облачного и киберфизического производства

Имея опыт UIUC в области компьютерных исследований и ресурсов моделирования, факультет может использовать доступную мощность суперкомпьютера, расположенную как в университетском городке, так и в других местах в США. В университете находится Национальный центр суперкомпьютерных приложений (NCSA), который создал Mosaic, первый графический веб-браузер.

«Когда вы приезжаете в Иллинойс, вы понимаете, что благодаря своей истории он внес очень большой вклад в производство от исследователей, которые провели первый анализ тепловых аспектов обработки», — сказал Капур, отметив важность таких экспериментов с режущими инструментами и термическая наука о процессе механической обработки. Капур, главный редактор Journal of Manufacturing Processes , Феррейра и другие профессора Северо-Западного университета (Эванстон, Иллинойс) ведут три текущих проекта с Институтом инноваций в области цифрового производства и дизайна (DMDII; Чикаго) в UI Labs.

«В рамках одного проекта мы разрабатываем так называемую операционную систему для киберфизического производства», — сказал Феррейра. «В другом проекте мы работаем с Caterpillar и Missouri Science and Technology, чтобы уменьшить вариативность процессов обработки. А затем в третьем проекте мы разрабатываем основу для количественной оценки неопределенности и снижения неопределенности в процессах литья под давлением».

Что касается проекта киберфизической операционной системы, Феррейра сказал, что группа занимается исследованиями всего около года, но ее руководители начали просить других использовать свои станки для работы с операционной системой.

Сотрудничество с промышленностью приносит огромную пользу в продвижении исследований и выводе новых технологий на рынок. «Мы работаем с промышленными партнерами, такими как Caterpillar и другими, на самых разных уровнях», — сказал Феррейра, сославшись на значительный вклад более ранних исследователей UIUC, таких как B.T. Чао, Кеннет Триггер, Клаус Дж. Вайнманн, Суббиа Рамалингам и совсем недавно Шив Капур. «Они создали вещи, которые широко использовались в промышленности, осязаемые модели процессов обработки, которые промышленность могла бы реально применять и использовать, и попытаться выяснить, какие силы можно ожидать во время обработки и как различные ошибки будут проявляться через механическую обработку поверхности. ”

Большая часть университетских исследований началась с решения проблем, с которыми столкнулись поставщики автомобилей и OEM-производители. «Мы начали работу с Ford, GM и их поставщиками, — сказал он. «У нас также есть Caterpillar, John Deere, а затем производители станков, очень рано работавшие с Ingersoll, компанией по производству фрезерных станков, DMG Mori и другими».

Около 12 лет отдел UIUC также руководил центром, специализирующимся на системах механической обработки и станков. Феррейра с 2003 по 2010 год был директором Наномасштабного научно-технического центра химико-электромеханических производственных систем NSF (Nano-CEMMS), а в настоящее время является филиалом Лаборатории микронанотехнологий в UIUC.

«Оттуда мы перешли к эпохе микро- и нанопроизводства, где Иллинойс был лидером», — сказал Феррейра. «У нас был довольно большой центр, специально предназначенный для определения всего производства в наномасштабе, и мы довели множество процессов до микрообработки, микроформовки и микроэлектроэрозионной обработки».

— старший редактор Патрик Ваужиняк

Технические статьи из журналов SME и производственных писем

Эти резюме, выдержки и веб-ссылки взяты из последних статей, опубликованных в журнале SME Journal of Manufacturing Systems. , Журнал производственных процессов и Производственные письма , напечатанные Elsevier Ltd. (www.elsevier.com) и используемые здесь с разрешения.

Предотвращение вибрации при роботизированном фрезеровании

В своей статье «Предотвращение вибрации на основе CCT при роботизированном фрезеровании» Леджун Сен и Шрейес Н. Мелкот из Школы машиностроения Джорджа Вудраффа Технологического института Джорджии (Атланта) исследуют проблемы с вибрацией, создаваемой роботизированной фрезерование. Их статья, опубликованная в томе 29 журнала Journal of Manufacturing Processes , доступен по адресу https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1526612517301573#fig0035.

В настоящее время крупные аэрокосмические конструкции обрабатываются на больших многоосевых обрабатывающих центрах с ЧПУ. Для сравнения, фрезерование с шарнирным роботом-манипулятором с несколькими степенями свободы (DOF) имеет несколько преимуществ благодаря более низкой стоимости и универсальности. Однако низкая жесткость робота с шарнирно-сочлененной рукой приводит к сильному колебанию связи низкочастотных мод во время обработки.

Предыдущие исследования показали, что такую ​​вибрацию можно подавить, минимизировав угол между направлением средней результирующей силы резания и направлением максимальной основной жесткости робота. Такой подход ограничивает диапазон допустимых движений робота и, следовательно, гибкость его использования. В этой статье представлен новый метод предотвращения вибрации связи мод при роботизированном фрезеровании с использованием модели жесткости консервативного преобразования конгруэнтности (CCT), которая не требует изменения направления подачи инструмента или ориентации заготовки. Эксперименты с роботизированным фрезерованием показывают, что при использовании этого подхода значительно снижается вибрация связанных мод.

Фрезерование крупных деталей самолетов обычно выполняется с использованием больших и дорогих обрабатывающих центров с ЧПУ, которые отличаются высокой жесткостью и точностью. Эти станки часто занимают большое рабочее пространство в заводских цехах. Напротив, многоосевая роботизированная фрезерная система на основе шарнирной руки обеспечивает высокую степень гибкости при обработке крупных деталей самолетов. Предыдущие исследования показали, что по сравнению с промышленными обрабатывающими центрами с ЧПУ роботизированные фрезерные системы могут сократить требования к рабочему пространству на 40 % и одновременно обеспечить большую гибкость. Роботизированное фрезерование также больше подходит для опасных сред. Однако практическое применение роботов с шарнирно-сочлененной рукой часто ограничивается приложениями с низким усилием, такими как погрузочно-разгрузочные работы, сборка, сварка и удаление заусенцев.

Окончательное точение Ti-6AL-4V с помощью СОЖ на основе распыления

Новые системы распыления смазочно-охлаждающей жидкости обладают потенциалом для улучшения черновой токарной обработки титана, что обсуждается в статье «Чистая токарная обработка Ti-6Al-4V с помощью системы распыления смазочно-охлаждающей жидкости (ACF)» авторов Chandra Nath и Шив Г. Капур с факультета машиностроения и инженерии Иллинойского университета в Урбане-Шампейне (UIUC; Урбана, Иллинойс) и Анил К. Шривастава из Техасского университета в долине Рио-Гранде (Эдинбург, Техас). Статья, опубликованная в томе 28 журнала Journal of Manufacturing Processes. , доступен по адресу https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1526612517300853#fig0020.

Качество продукции и производительность являются важными факторами в обрабатывающей промышленности, особенно при работе с такими громоздкими материалами, как титан. Эффекты охлаждения и смазки, обеспечиваемые соответствующей системой нанесения смазочно-охлаждающей жидкости, играют жизненно важную роль в определении этих факторов, особенно во время чистовой резки. Недавно распылительная система ACF продемонстрировала многообещающие охлаждающие и смазочные эффекты при черновом точении титана в макромасштабе, но ее еще предстоит изучить во время чистовой обработки (например, при глубине резания и скорости подачи 0,2 мм или ниже).

Целью данной статьи является изучение влияния распылительной системы ACF на производительность обработки при чистовом точении сплава Ti-6Al-4V. В первой серии экспериментов два параметра распыления (а именно, скорость газа и скорость потока) и параметры резания (а именно, скорость резания, подача и глубина резания) варьировались, чтобы выбрать наиболее подходящие условия для применения. Система распыления ACF. Результаты обработки оцениваются с точки зрения износа вершины, температуры резания, шероховатости поверхности, погрешности округлости, морфологии стружки и твердости детали. Затем проводится отдельная серия экспериментов для сравнения характеристик системы распыления ACF в условиях сжатого воздуха (сухого) и охлаждающей жидкости. Обнаружено, что даже при более низкой скорости потока жидкости 1,5 мл/мин (10% объема) и более низкой скорости газа система распыления превосходит два других режима охлаждающей жидкости, что еще больше повышает эффективность экологически безопасного производственного процесса. .

Моделирование восстановления редкоземельных магнитов

В своей статье «Моделирование операций и запасов для извлечения редкоземельных постоянных магнитов в условиях неопределенности спроса и предложения» авторы Хонгюэ Джин и Юэверн Йи из Промышленного инжиниринга Университета Пердью (Западный Лафайет, Индиана) и Джон В. Сазерленд из Экологического и Экологическая инженерия в Purdue, обсудите факторы, влияющие на стратегии инвентаризации, с помощью моделирования.

Редкоземельные постоянные магниты (REPM) играют важную роль в различных приложениях, таких как производство возобновляемой энергии и продукты, связанные с аэрокосмической и оборонной промышленностью. Редкоземельные элементы (РЗЭ), такие как неодим и диспрозий, используются в REPM, и предложение этих РЗЭ испытывает колебания. Чтобы снизить этот риск, РЗЭ могут быть извлечены из продуктов с истекшим сроком службы (EOL), таких как компьютерные жесткие диски (HDD).

В этом документе разрабатывается стратегия управления операциями и запасами для изучения прибыльности в условиях неопределенного рыночного предложения и с меняющимися ценностями, спрос на которые также сталкивается со значительной неопределенностью. Статья опубликована в январском номере 2018 г., Vol. 46, Journal of Manufacturing Systems и доступен по адресу https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0278612517301437.

Редактирует TechFront старший редактор Патрик Ваужиняк.