УДК 621.9.06 Машины и установки. Основные элементы и вспомогательные устройства. Конструкция, компоновка и принципы работы в целом
Исследование направленно на расширение технологических возможностей электрических методов обработки за счет применения систем программирования технических характеристик электродов-инструментов (ЭИ) непосредственно в цифровой модели с последующим их изготовлением аддитивными методами. В статье рассматриваются вопросы получения деталей сложной формы. Это реализовано методом предварительной 3D печати электрода-инструмента с последующей металлизацией рабочих поверхностей, что исключает финишную обработку с использованием дорогостоящего оборудования. Однако процесс проектирования такого инструмента связан со сложностью его реализации для условий единичного или опытного производства. Предложенный авторами подход к проектированию и изготовлению комбинированного ЭИ сложной формы позволяет существенно снизить его себестоимость, особенно на этапе отладки технологического процесса в условиях запуска изделия в производство.
СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ, АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ, ЭЛЕКТРОД-ИНСТРУМЕНТ, ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ.
1 Состояние вопроса исследования и актуальность работы
В настоящее время в машиностроении наблюдается тенденция к постоянному усложнению формы и геометрической структуры поверхностей изготовляемых деталей. При этом повышаются требования к точности их формообразования. Это, в первую очередь, связано с расширением функционала выпускаемых изделий и применяемых материалов. С другой стороны, постоянно совершенствуемые системы автоматизированного проектирования (САПР) предлагают конструкторам и технологам новые программные инструменты по проектированию поверхностей высокой степени кривизны. Такие поверхности не только обеспечивают эстетическую и эргономическую составляющую внешнего вида изделий, но и существенно, порой до 20 %, повышают прочностные характеристики за счет исключения мест концентрации внутренних напряжений в нагруженных конструкциях. Это приводит к появлению проблем по обработке таких поверхностей с применением традиционного механообрабатывающего оборудования. Методы формообразования поверхности с применением электрического поля (электрохимическая (ЭХО) и электроэрозионная (ЭЭО) обработки) показывают хорошие результаты по обработке криволинейных поверхностей. Однако, есть и нерешенные проблемы, которые тормозят технологическое использование электрических методов. К основным факторам, негативно влияющим на расширение области технологического использования электрических методов применительно к обработке указанных поверхностей, является то, что в силу характера процесса формирования профиля детали рабочий профиль электрода-инструмента (ЭИ) должен быть выполнен в виде точно такой же криволинейной поверхности с корректировкой на величину межэлектродного зазора. То есть, уходя от сложности обработки поверхности детали, конструкторы и технологи сталкиваются с проблемой механообработки лезвийным инструментом криволинейной поверхности ЭИ.
Для решения данной проблемы предлагается:
– формализовать и описать в виде алгоритма проектирование рабочей части ЭИ с учетом величины межэлектродного зазора (МЭЗ);
– методами САПР спроектировать толщину электрического покрытия, наносимого на диэлектрическую поверхность заготовки ЭИ, необходимую и достаточную для протекания электрических процессов при электрических методах обработки;
– подготовить алгоритм и, на его основе, управляющую программу для 3D-печати диэлектрической основы ЭИ;
– выработать технологические рекомендации по выбору режимов нанесения токопроводящего покрытия для окончательного изготовления ЭИ.
2 Материалы и методы
К объективным причинам усложнения формы детали в современном машиностроении, как правило, относятся [1-2]:
– снижение массогабаритных параметров изделия с сохранением или увеличением их прочности, что активно применяется в авиастроении, двигателестроении, космической отрасли;
– снижение себестоимости изготовления изделия за счет применения специализированного инструмента.
В настоящее время для получения таких объектов и поверхностей, имеющих сложную форму, применяется несколько методов формообразования:
– для частичного решения этой проблемы – использование обрабатывающего оборудования, инструмент которого способен перемещаться в 2-х и 3-х координатах по командам стойки с числовым программным управлением (ЧПУ);
– использование методов литья и пластического деформирования, что оправдано в заготовительном производстве и, как правило, требует дополнительной финишной обработки.
Еще одним методом решения этих задач является применение электрических методов обработки [3-4]. Однако для этого требуется сложнопрофильный рабочий инструмент, а его поверхности нуждаются в механообработке на станках с ЧПУ. Без применения такого оборудования ЭИ может быть получен путем ЭХО или ЭЭО фасонным ЭИ с простым поступательным или вращательным движением [5].
В этом случае рабочая поверхность ЭИ должна иметь сложную геометрию. При этом она, геометрия, повторяет профиль обрабатываемой детали, но отличается на величину МЭЗ. Затраты на изготовление такого ЭИ в большинстве случаев сопоставимы и / или превышают стоимость изготовления детали с применением традиционных процессов резания. Для снижения стоимости таких ЭИ авторы предлагают методику их проектирования в САПР. При этом ЭИ изготавливают методами 3D-печати по готовым цифровым моделям из диэлектрического материала, а в дальнейшем производится металлизация рабочих поверхностей и мест подвода электрической энергии.
3 Результаты и их обсуждение
На примере ЭХО сформулирована задача в виде математических зависимостей для расчета геометрических размеров математически рационального профиля ЭИ (рис. 1). На рисунке 1 введены следующие обозначения: 1 –деталь; 2 – ЭИ; Lдет – требуемый размер детали; LЭИ –размер ЭИ; Lмод – размер ЭИ после 3D-печати без токопроводящего покрытия; hпок – величина токопроводящего слоя; hпокб – величина токопроводящего слоя на боковой поверхности; S – величина МЭЗ; Sб – боковой МЭЗ.
Рисунок 1 – Схема расчета геометрии ЭИ
Исходя из схемы, представленной на рисунке 1, размер ЭИ после 3D-печати без токопроводящего покрытия определяется по выражению:
, (1)
В этой формуле Lдет – параметр, заданный чертежом детали. Формула для расчета МЭЗ описана в литературе [6]:
1. Баранчиков, В. И. Обработка специальных материалов в машиностроении: Справочник / В. И. Баранчиков, А. С. Тарапанов, Г. А. Харламов. - М. : Машиностроение, 2002. - 264 с.
2. Верещака, А. С. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями. - М. : Машиностроение, 1983. - 336 с.
3. Волосатов, В. А. Справочник по электрохимическим и электрофизическим методам обработки. - М. : Машиностроение, 1988. - 718 с.
4. Смоленцев, В. П. Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов. - М. : Высшая школа, 1983. -Т. 1: 2 : С. 247.
5. Смоленцев, В. П. Изготовление инструмента непрофилированным электродом - М. : Машиностроение, 1974. - С. 163.
6. Suvorov A. P. Design combined electrode-tool for electric methods of processing by means of its parameterization of CAD / A. P. Suvorov // Инфографика и информационный дизайн : визуализация данных в науке материалы Международной научно-практической конференции. Омск, 2017. С. 148-152.
7. Azhari, A., Marzbanrad, E., Yilman, D., Toyserkani, E., & Pope, M. A. (2017). Binder-jet powder-bed additive manufacturing (3D printing) of thick graphene-based electrodes. Carbon, 119, 257-266. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2017.04.028.
8. Суворов А. П., Кузовкин А. В. Использование аддитивных технологий в производстве фасонных поверхностей // Вестник Рыбинской государственной авиационной технологической академии им. П. А. Соловьева. 2017. № 2. C. 9-15.
9. Суворов А. П., Кузовкин А. В. Параметрическое проектирование электрод-инструмента для электрообработки с помощью модуля ilogic // Вестник Брянского государственного технического университета. 2017. - № 3. - C. 105-109.
10. Mendible, G. A., Rulander, J. A., & Johnston, S. P. (2017). Comparative study of rapid and conventional tooling for plastics injection molding. Rapid Prototyping Journal, 23(2), 344-352. https://doi.org/10.1108/rpj-01-2016-0013.
11. Achillas, C., Tzetzis, D., & Raimondo, M. O. (2017). Alternative production strategies based on the comparison of additive and traditional manufacturing technologies. International Journal of Production Research, 55(12), 3497-3509. https://doi.org/10.1080/¬0020754-3.2017.1282645.
12. Суворов А. П., Кузовкин А. В. Перспективы использования современных информационных технологий в обработке сложных поверхностей // Вестник Воронежского института высоких технологий. 2016. - № 1. - C. 83-87.
13. Смоленцев, В. П. Проектирование технологической оснастки для электрических методов обработки / В. П Смоленцев, А. В. Кузовкин, М. Г. Поташников - Воронеж : ВГТУ, 2006. - С. 149.
14. Кузовкин, А. В. Технология изготовления комбинированного электрода-инструмента аддитивными методами // Кузовкин А. В., Суворов А. П., Норман А. В., Поташников М. Г. В сб. : Современные технологии производства в машиностроении. Межвузовский сборник научных трудов. Воронеж, 2021. - С. 135-142.
15. Leal, R., Barreiros, F. M., Alves, L., Romeiro, F., Vasco, J. C., Santos, M., & Marto, C. (2017). Additive manufacturing tooling for the automotive industry. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 92(5-8), 1671-1676. https://doi.org/10.1007/s00170-017-0239-8.
16. Traxel, K. D., & Bandyopadhyay, A. (2019). First Demonstration of Additive Manufacturing of Cutting Tools using Directed Energy Deposition System: Stellite™-Based Cutting Tools. Additive Manufacturing, 25, 460-468. https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.11.019.
17. Kurra, N., Jiang, Q., Nayak, P., & Alshareef, H. N. (2019). Laser-derived graphene: A three-dimensional printed graphene electrode and its emerging applications. Nano Today, 24, 81-102. https://doi.org/10.1016/j.nantod.2018.12.003.
18. Кузовкин, А. В. Методика проектирования комбинированного электрода-инструмента с целью изготовления по аддитивной технологии // Кузовкин А. В., Суворов А. П., Норман А. В., Котуков В. И. В сб. : Современные технологии производства в машиностроении. Межвузовский сборник научных трудов. Воронеж. - 2021. - С. 129-134.
19. Шалкаускас М. И., Вашкялис А. И. Химическая металлизация пластмасс. - [б.м.] : Химия, 1985.
