employee
Russian University of Transport (MIIT) (Department of Technology of Transport Engineering and Repair of Rolling Stock, Professor)
employee
Moscow, Moscow, Russian Federation
employee
Moscow, Moscow, Russian Federation
employee
Moscow, Moscow, Russian Federation
graduate student
Moscow, Moscow, Russian Federation
UDK 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
GRNTI 55.13 Технология машиностроения
In the paper there is under consideration an effort to achieve the roughness index of Ra <0.8 with the aid of soft abrasive tool use. As a result the purpose of this work became development of the technology for surface quality improvement of parts manufactured with the aid of additive technologies. The authors carried out a number of experiments with the samples manufactured with the aid of the method of FDM print. With the aid of 3D Ultra 3 printer of EnvisionTec company. The samples were made of ABS-plastic in the amount of 6 pieces. On each sample there were defects after printing which contributed to the deterioration of surface quality in products. By means of TR220 profilometer there was measured roughness before and after the experiment. There was carried out dry processing and with the use of SCL. As a result, dry processing resulted in worsening surface quality, heavy wear of an abrasive tool and grain contamination. Analyzing the data obtained from the profilometer in the experiment and SCL use a considerable improvement of the surface layer quality at minimum allowance is observed. Investigation methods: in the work basis there are experimental methods of investigation. The investigations are carried out with the use of a microscope and profilometer. Processing investigation results was carried out as a result of the comparison of the measuring data obtained. Work Novelty: there are defined conditions of soft abrasive tool operation and SCL impact upon Ra indices. The results obtained indicate a possibility of Ra improvement on a part surface which is achieved due to a combined shaping with the aid of additive technologies and further machining carried out on a single technological basis. The experience without SCL use has shown the overheating possibility the result of which is a meltback and plastic sticking both on the surface, and on abrasive grains of the cutter which is inadmissible and results in considerable worsening of Ra on the surface machined and cutter wear. In view of this the SCL use in finishing is promising, but to achieve better results SCL chemistry must be improved.
additive technologies, 3D print, photo-polymer, technology, quality, roughness
Введение
На сегодняшний день сформировалась целая индустрия аддитивного производства, десятки различных методов технологий, а также оборудования и материалов для послойного выращивания изделий. В результате с каждым годом эта технология совершенствуется и становится всё более популярной.
Процесс изготовления происходит автоматически без участия человека. Все основные настройки (заполнение, толщина слоя, коррекция шаг платформы), осуществляются на стадии подготовки к печати, после запуска человек выступает в качестве оператора и не вмешивается в процесс до полного изготовления изделия.
Использование технологии послойного выращивания деталей позволяет обойтись без сборочных операций, изготовление происходит за одну установку изделия, имеющего сложно фасонную поверхность.
Формирование рельефа деталей, изготовленных с помощью аддитивных технологий
При печати использовался метод FDM (метод послойного наплавления) – технология аддитивного производства, широко используемая при создании трехмерных моделей, при прототипировании и в промышленном производстве. В качестве материала использовался ABS-пластик – ударопрочная техническая термопластическая смола на основе сополимера акрилонитрила с бутадиеном и стиролом.
Во время процесса печати могут появляться также и дефекты, связанные с перегревом сопла, либо не достаточной температурой камеры, и говорить о достижении требуемой шероховатости не приходится все это ведет к браку изделия, как показано на рис. 1.
Рис. 1. Дефект наложения слоёв во время печати
Так как дефект появился на поверхностном слое изделия, а именно при печати последнего слоя, было решено исследовать его глубину с помощью электронного микроскопа Альтами СМ0745-Т (рис. 2).
Рис. 2. Картина дефекта
Согласно работе [1] значение шероховатости Ra на поверхности детали полученной с помощью аддитивных технологий лежит в пределах Ra≥1,2. Также на всех изготовленных образцах с помощью аддитивных технологий характерно наличие отчетливых зон неровностей (рис. 3) на поверхностном слое изделия. Поэтому было принято решение более детально исследовать полученную поверхность.
Измерение шероховатости производилось с помощью профилометра TR220 в 12-ти точках на поверхности детали. В результате были получены следующие данные, представленные в табл.1.
Анализируя полученные данные, наглядно видно, что шероховатость поверхности неоднородна, в некоторых точках имеются значительное ухудшения показателя Ra. Точка 1пк Ra 5,362 свидетельствует дефекту, показанному на рис. 1.
Дальнейшее улучшение шероховатости, а, следовательно, и поверхностного слоя может достигаться комбинированным формообразованием с помощью аддитивных технологий и последующей механической обработки, произведенных на одной технологической платформе.
Таблица 1
Показатели шероховатости после
печати
|
№ точки измерения |
Показатель шероховатости |
|
1лк |
1,943 |
|
2лк |
2,838 |
|
3лк |
2,321 |
|
4лк |
2,674 |
|
1цт |
3,928 |
|
2цт |
2,743 |
|
3цт |
2,260 |
|
4цт |
2,119 |
|
1пк |
5,362 |
|
2пк |
2,201 |
|
3пк |
3,429 |
|
4пк |
2,190 |
Изучение формирования рельефа при шлифовании при минимальном припуске
Используя опыт, полученный в работе [1], была предпринята попытка достичь показателя Rа <0,8 при min припуске с помощью использования механообработки. Для этого были напечатаны, обработаны, а впоследствии измерены образцы - бруски размером 155х80х12 мм (рис. 3).
Рис. 3. Объект исследования
Финишная обработка производилась на станке с ЧПУ MIKRON НРМ 600 U, при этом использовался мягкий абразивный инструмент.
Использование данного абразивного инструмента объясняется тем, что изготовленные с помощью аддитивных технологий детали имеют сложную фасонную поверхность, инструмент на жёсткой основе не сможет обрабатывать такие поверхности. Мягкие щётки позволяют проходить по поверхностям, имеющим сложную форму, не затрачивая дополнительное время на переустановку заготовки.
Инструмент состоит из множества абразивных зёрен, в зависимости от вида обработки, материала заготовки, подбирается его жёсткость. На основании опытов было установлено, что щётка может работать только по плоской поверхности, в результате необходима последующая его доработка.
При проведении опытов использовались следующие режимы обработки: частота вращения шпинделя n = 4500 об/мин, подача S = 800 мм/мин, общий слой снимаемого материала t = 0,3 мм, за 1 проход снимался слой равный 0,05 мм. Таким образом обработка происходила за 6 проходов. Вылет инструмента из корпуса составлял 11 мм. Опыты проходили в двух режимах: в сухую и с применением СОЖ.
При обработке в сухую было установлено, что поверхность в процессе механической обработки мягким абразивным инструментом перегревается, в результате, пластик начинает плавиться и происходит налипание стружки (рис. 4) в виде нарастающих волн. Шероховатость поверхности резко уменьшается и выходит за пределы измерений из-за неоднородности выступов и полученного рельефа в виде налипшего пластика.
Рис. 4. Следы плавления пластика
на поверхности
На рис. 4 наглядно видно образование нового слоя, состоящего из расплавившегося пластика в процессе обработки.
Установлено, что плавится не только поверхность детали, но и происходит сильный износ инструмента. Наросты окрашиваются в цвет режущего инструмента. На щётке появляются следы оплавления, в виде загрязнения абразивного зерна налипшим пластиком (рис. 5)
Рис. 5. Загрязнение абразивных зёрен
В результате, будет не только уменьшается шероховатость самой детали, но и снижаются режущие способности инструмента. Налипший пластик забивается в поры волокон, нарушается абразивная связка.
В опыте с использованием СОЖ такая проблема не наблюдается. Деталь не перегревается, обработка происходит равномерно, зёрна режущего инструмента чистые. При работе с установленными ранее режимами были получены следующие результаты, представленные в табл. 2.
Таблица 2
Результаты опыта
с использованием СОЖ
|
№ точки измерения |
Показатель шероховатости до обработки |
Показатель шероховатости после обработки |
|
1лк |
1,943 |
0,576 |
|
2лк |
2,838 |
0,762 |
|
3лк |
2,321 |
0,658 |
|
4лк |
2,674 |
0,894 |
|
1цт |
3,928 |
0,809 |
|
2цт |
2,743 |
1,132 |
|
3цт |
2,260 |
1,291 |
|
4цт |
2,119 |
0,743 |
|
1пк |
5,362 |
1,334 |
|
2пк |
2,201 |
0,789 |
|
3пк |
3,429 |
0,837 |
|
4пк |
2,190 |
0,676 |
Показатели качества поверхности после обработки показывают уменьшение Ra, в некоторых точках достигнуть показателя <0,8 не удалось из-за слишком больших выступов.
Обработанные результаты представлены в виде диаграммы (рис. 6).
Рис. 6. Распределения шероховатости
на поверхности детали после обработки
В результате, подбирая параметры обработки и используя разное сечение волокна, можно достигнуть необходимого показателя шероховатости, который соответствует заявленным требованиям детали.
Сравнение качества поверхности представлено на диаграмме (рис. 7).
Рис. 7. Сравнение шероховатости до и после обработки:
кривая 1 - поверхности до обработки, кривая 2- поверхность после обработки
Было установлено, что после изготовления детали с использованием технологии 3D-печати необходима последующая финишная механическая обработка. Предварительная шероховатость поверхности оказывает влияние на показатели после обработки, в зависимости от глубины съёма материала показатели будут неоднородны, для получения более однородной поверхности требуется увеличить глубину обработки.
Заключение
Полученные опытным путём результаты свидетельствуют о возможности улучшения величины Ra на поверхности детали, которое достигается комбинированным формообразованием с помощью аддитивных технологий и последующей механической обработки, произведенных на одной технологической платформе. Опыт без использования СОЖ показал возможность перегрева, следствием которого является оплавление и налипания пластика как на поверхность, так и на абразивные зёрна режущего инструмента, что является недопустимым и приводит к значительному ухудшению показателя Ra на обработанной поверхности и износу режущего инструмента. В виду этого использование СОЖ в процессе финишной обработки перспективно, но для достижения более лучшего результата, необходимо доработать ее химический состав.
1. Kulikov, M. Yu. Obespechenie kachestva detaley, izgotovlennyh s pomosch'yu additivnyh tehnologiy / M. Yu. Kulikov, M. A. Larionov, D. V. Gusev, E. O. Shevchuk // Vestnik Bryanskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. - 2020. - № 12(97). - S. 4-10.
2. Kulikov, M. Yu. Issledovanie zakonomernostey formirovaniya tochnostnyh parametrov detaley pri prototipirovanii / M. Yu. Kulikov, M. A. Larionov, D. V. Gusev // Vestnik Bryanskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. - 2016. - № 2(50). - S. 104-107.
3. Kulikov, M. Yu. O vzaimodeystvii sherohovatosti poverhnosti prototipirovannyh obrazcov s usloviyami ih bazirovaniya pri izgotovlenii / M. Yu. Kulikov, M. A. Larionov, D. V. Gusev // Uchenye zapiski Komsomol'skogo-na-Amure gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. - 2016. - № 1(25). - S. 88-92.
4. Gusev, D. V. Povyshenie pokazateley kachestva izgotavlivaemyh izdeliy pri ispol'zovanii tehnologii bystrogo prototipirovaniya: special'nost' 05.02.08 «Tehnologiya mashinostroeniya» : dissertaciya na soiskanie uchenoy stepeni kand. tehn. nauk / Denis Vital'evich Gusev; Ul'yanovskiy gosudarstvennyy tehnicheskiy universitet. - Ul'yanovsk, 2019. - 116 s.
5. Litunov, S. N. Obzor i analiz additivnyh tehnologiy. Chast' 2 / S. N. Litunov, V. N. Slobodenyuk, D. V. Mel'nikov// Omskiy nauchnyy vestnik. - 2016. - № 5(149). - S. 20-24.
6. Adler, Yu. P. Planirovanie eksperimenta pri poiske optimal'nyh usloviy / Yu. P. Adler, E. V. Markova, Yu. V. Granovskiy. - Moskva : Nauka, 1976. - 278 s.
7. Zlenko, M. A. Additivnye tehnologii v mashinostroenii. Posobie dlya inzhenerov. / M. A. Zlenko, M. V. Nagaycev, V. M. Dovbysh. - Moskva : GNC RF FGUP «NAMI», 2015. - 220 s.
8. Zenkin, N. V. Effektivnost' vliyaniya SOZh na sherohovatost' frezerovannyh poverhnostey pri razlichnyh rezhimah rezaniya / N. V. Zenkin, I. A. Varichkin // Nauchnyy al'manah. - 2017. - № 3-3(29). - S. 93-96.
9. Baranchikov, V. I. Obrabotka special'nyh materialov v mashinostroenii: Spravochnik. Biblioteka tehnologa / V. I. Baranchikov, A. S, Tarapanov, G. A. Harlamov. - Moskva : Mashinostroenie, 2002 - S. 52-56.
