RFNC-VNIITF named after Acad. E.I. Zababakhin
Snezhinsk, Chelyabinsk, Russian Federation
from 01.01.2010 to 01.01.1924
Federal State Unitary Enterprise "Russian Federal Nuclear Center - Zababakhin All-Russian Scientific Research Institute of Technical Physics named after Academician Ye.I. Zababakhin"
Russian Federation
UDC 621.7
This study is devoted to the development of a new method for the fixation and clamping of parts obtained using additive technologies, in order to increase the efficiency of their further machining. The proposed approach is based on the use of special fixtures (chucks/collets), the design of which, through modification, takes into account the features of the geometry and properties of AM parts. As part of the study, an analysis of the existing methods for the fixation and clamping of AM parts was carried out, and their main shortcomings were identified, such as low accuracy and reliability of fixation, complexity of setup, and high labor costs in the manufacture of special tooling. A new method for the fixation and clamping of AM parts has been developed, which allows increasing the processing productivity, reducing the time for retooling, and ensuring reliable protection against rotation. An experimental study was conducted, which confirmed the effectiveness of the proposed method. The results of the work can be used in the organization of efficient technological processes for the machining of parts manufactured using additive technologies at machine-building enterprises.
additive technologies, positioning, clamping
Введение
Современные аддитивные технологии (АТ), такие как селективное лазерное плавление (SLM), позволяют создавать детали сложной пространственной конфигурации, невозможной или очень сложной для изготовления с помощью традиционных методов механической обработки [1]. Это открывает широкие возможности для применения генеративного дизайна, бионического дизайна и других передовых подходов, обеспечивающих улучшение функциональных характеристик изделий [2, 3].
Но все же, не смотря на всю перспективность данных технологий, применение их сопряжено с рядом ограничений и проблем, которые требуют тщательного изучения и решения. Во-первых, сложная геометрия заготовок, полученных методом SLM, затрудняет их базирование и закрепление для последующей механической обработки [4, 5]. А это чаще всего необходимо, так как требуемые параметры точности поверхностей превышают на данном этапе возможности оборудования для 3D-печати. Прямая связь со сложной формой деталей, наличием тонких стенок, сложных внутренних полостей и других особенностей. Во-вторых, высокая стоимость оборудования и расходных материалов для аддитивного производства может свести на нет экономические преимущества технологии при необходимости использования дорогостоящей специальной оснастки [6, 7]. В-третьих, качество поверхности деталей, изготовленных методом SLM, зачастую не соответствует предъявляемым требованиям, что требует применения дополнительных операций финишной обработки [8, 9].
Таким образом, актуальной научно-технической задачей является разработка эффективных методов базирования и закрепления сложных деталей, полученных аддитивным способом, для последующей точной механической обработки в условиях единичного и мелкосерийного производства, без применения дорогостоящей специальной оснастки. Решение данной задачи позволит в полной мере реализовать преимущества АТ, расширить их область применения и повысить конкурентоспособность изделий.
Целью настоящей работы является разработка метода базирования и закрепления сложных деталей, полученных методом АТ,
для последующей точной механической обработки.
Методы
Исходя из информации о типичных деталях, актуальных для военно-промышленного комплекса, можно сформулировать следующие направления исследования.
Ключевым объектом исследования выступают детали, полученные методом селективного лазерного плавления (SLM), имеющие наружные цилиндрические поверхности диаметром в диапазоне от 6 до 20 мм. Эти детали, такие как корпуса и втулки, характеризуются наличием элементов, ориентированных под различными углами относительно оси цилиндра. К таким деталям предъявляются повышенные требования по точности изготовления самих элементов, а также по точности их взаимного расположения, более высокие по сравнению с требованиями, типичными для деталей, полученных методом АТ.
На основании приведенного описания деталей, требований к их обработке и существующих проблем при базировании, предлагаются следующие методы исследования: проведен анализ геометрических особенностей типовых деталей, полученных методом селективного лазерного плавления (SLM), включающий изучение формы, размеров и расположения цилиндрических поверхностей, плоских элементов и отверстий, а также оценку качества поверхностей, в том числе наличия дефектов; проведено экспериментальное исследование методов базирования и закрепления деталей с разработкой и апробацией различных схем базирования, оценкой точности позиционирования заготовок и анализом влияния качества поверхностей на надежность базирования.
Кроме того, проведено математическое моделирование процессов базирования и закрепления деталей с построением расчетных схем и математических моделей для анализа напряженно-деформированного состояния системы с проведением вычислительных экспериментов для оптимизации параметров базирования и закрепления.
Завершающий этап ‒ предложенный метод и экспериментальная апробация эффективного способов базирования и закрепления деталей, полученных методом АТ.
Результаты и обсуждения
После проведения анализа и экспериментального исследования предлагается для базирования и закрепления деталей, полученных методами АТ, для дальнейшей доработки использовать предусмотренные заранее на цилиндрической поверхности детали радиусные элементы на длину порядка диаметра цилиндра. Таким образом, в качестве приспособления использовать трехкулачковый самоцентрирующий патрон с сырыми кулачками или патрон цанговый с алюминиевыми цангами. И вместо классического растачивания посадочного места использовать расфрезеровывание.
Предлагаемый метод базирования и закрепления деталей, полученных методом АТ, помимо обеспечения надежного базирования по оси Y и углу, обладает рядом дополнительных преимуществ:
1. Возможность обработки серии заготовок с одной наладки. Это позволяет повысить производительность и сократить время переналадки.
2. Быстрая наладка. В отличие от классического растачивания посадочного места, предлагаемый метод расфрезеровывания приспособления занимает незначительно больше времени, что важно, поскольку час работы таких станков стоит дорого.
3. Надежная защита от проворота во время обработки. Применение радиусных элементов обеспечивает равномерный зажим заготовки, в отличие от использования лысок.
4. Возможность повторного использования оставшейся цилиндрической части доработанного элемента заготовки для базирования детали, в отличие от классического треугольника Рёло.
5. Расфрезеровывание приспособления может выполняться стандартными концевыми фрезами.
6. Небольшой съем материала на цилиндрической части заготовки (около
0,2 мм) делает предлагаемый способ подходящим для чистовой обработки тонкостенных деталей.
Важным аспектом является также высокая точность базирования. Теоретическая оценка погрешности базирования основана на классическом расчете базирования по двум цилиндрам, где погрешность складывается из двух слагаемых: зазора между штифтом и отверстием, а также погрешности расположения осей элементов приспособления. В предлагаемом методе, за счет применения патрона или цанги, зазор между штифтом и отверстием отсутствует. Остается только вторая составляющая, которая зависит от точности самого станка с ЧПУ и, как правило, составляет 1…2 мкм.
Рассмотрим геометрию кулачков для данного метода (рис. 2). На рис. 2 представлены три варианта исполнения кулачков для доработки деталей: а ‒ выполнен по форме заготовки, но в плюс от размера детали; б ‒ тоже выполнен по форме заготовки, но в минус от размера детали;
в ‒ предлагаемый метод закрепления.
Выводы
По результатам приведенного анализа и расчетов можно сделать следующие выводы:
1. Предложенный метод базирования и закрепления деталей АТ с использованием трехкулачкового самоцентрирующего патрона или цангового патрона обеспечивает надежное базирование по оси Y и углу.
2. Данный метод имеет ряд преимуществ по сравнению с классическим растачиванием посадочного места, включая: повышение производительности, сокращение времени переналадки, простоту наладки, надежную защиту от проворота, возможность повторного использования заготовки и др.
3. Предлагаемый способ обеспечивает высокую точность базирования за счет отсутствия зазора между штифтом и отверстием и точности самого станка с ЧПУ.
Проведено экспериментальное исследование, подтвердившее эффективность предлагаемого метода. Результаты работы могут быть использованы при организации эффективных технологических процессов механической обработки деталей, изготовленных с помощью АТ, на машиностроительных предприятиях.
1. Kruth J.P., Vandenbroucke V., Vaerenberg J.V., Mercelis P. Benchmarking of different SLM/SLS processes as rapid manufacturing technics. Int. Conf. Polymers and moulds innovations (PMI), Gent, Belgium, April 2005.
2. Rybakov V.A. The use of generative design in the design of products // Proceedings of the 55th International Scientific and Technical Conference of Teachers and Students: in 2 volumes, Vitebsk, April 27, 2022. Volume 2. Vitebsk: Vitebsk State Technological University, 2022. pp. 382–384. EDN GEYETG.
3. Borovkov A.I. Bionic design // Bionics. 60 years. Results and prospects: Collection of articles of the First International Scientific and Practical Conference, Moscow, December 17–19, 2021 / Edited by A.P. Karpenko. Moscow: Association of Technical Universities, 2022. pp. 18–29. DOIhttps://doi.org/10.53677/9785919160496_18_29. EDN EMIMLT.
4. Chukanov A.N. Formation of structural defects in SLM technology // Modern materials, equipment and technologies. 2023. No. 6 (51). pp. 29–36. EDN VPVTVZ.
5. Oskolkov A.A. Advance additive manufacturing technologies for metal products // Bulletin of the Perm National Research Polytechnic University. Mechanical engineering, materials science. 2018. Vol. 20, No. 3. pp. 90–105. DOIhttps://doi.org/10.15593/2224-9877/2018.3.11. EDN YGHHLV.
6. Dozhdlyov A.M. Features of 3D-printing of metal products // International Journal of Humanities and Natural Sciences. 2021. No. 6 (57). pp. 18–20. DOIhttps://doi.org/10.24412/2500-1000-2021-6-1-18-20. EDN FVUERE.
7. Dots M.V. Metal powders for additive technologies // Innovations in Mechanical Engineering (InMash-2023): Proceedings of the XIV International Scientific and Practical Conference, Kemerovo, November 26, 2023. Kemerovo: T.F. Gorbachev Kuzbass State Technical University, 2023. pp. 41–45. EDN CCFZTN.
8. Levina T.A. Analysis of methods and means for assessing the quality of the surface layer of products obtained by SLM method from heat-resistant alloys // Prom-Engineering: Proceedings of the VII All-Russian Scientific and Technical Conference, Moscow, Chelyabinsk, Novocherkassk, Volgograd, Sochi, May 17–21, 2021. Chelyabinsk: Publishing Center of SUSU, 2021. pp. 90–96. EDN ZSDJQV.
9. Balyakin A.V. Study of the problems of the emergence of negative technological inheritance in the manufacture of gas turbine engine parts by selective laser melting // Izvestiya of the Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences. 2019. Vol. 21, No. 1 (87). pp. 61–70. EDN XHSWIU.
10. Zlenko M.A., Popovich A.A., Mutylina I.N. Additive technologies in mechanical engineering: textbook. St. Petersburg, 2013. 221 p.
11. Dubrovina N.A. Innovative technologies in mechanical engineering. Vestnik of Samara University. Economics and Management. 2021. vol. 12. no. 1. pp. 108–115.
