UDK 621.9.06 Машины и установки. Основные элементы и вспомогательные устройства. Конструкция, компоновка и принципы работы в целом
The research is aimed at expanding the technological capabilities of electrical processing methods through the use of programming systems for the technical characteristics of electrode tools (EI) directly in a digital model with their subsequent production by additive methods. The article discusses the issues of obtaining parts of complex shape. This is realized by the method of preliminary 3D printing of the electrode-tool with subsequent metallization of the working surfaces, which excludes finishing with the use of expensive equipment. However, the process of designing such a tool is associated with the complexity of its implementation for the conditions of a single or pilot production. The approach proposed by the authors to the design and manufacture of a complex-shaped combined EI makes it possible to significantly reduce its cost, especially at the stage of debugging the technological process in the conditions of launching the product into production.
COMPUTER-AIDED DESIGN SYSTEMS, ADDITIVE TECHNOLOGIES, ELECTRODE-TOOL, ELECTRICAL PROCESSING METHODS.
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. Baranchikov, V. I. Processing of special materials in mechanical engineering: a Handbook / V. I. Baranchikov, A. S. Tarapanov, G. A. Kharlamov. – M. : Mashinostroenie, 2002. – 264 p.
2. Vereshchaka, A. S. Performance of cutting tools with wear-resistant coatings. – M. : Mashinostroenie, 1983. – 336 p.
3. Volosatov, V. A. Handbook of electrochemical and electrophysical processing methods. – M. : Mashinostroenie, 1988. – 718 p.
4. Smolentsev, V. P. Electrophysical and electrochemical methods of material processing [Text]. – M. : Higher school, 1983. – T.1 : 2 : p. 247.
5. Smolentsev, V. P. Making a tool with a non-profiled electrode – M. : Mashinostroenie, 1974. – p. 163.
6. Suvorov A. P. Design combined electrode-tool for electric methods of processing by means of its parameterization of CAD / A. P. Suvorov // Infographics and information design : data visualization in science Proceedings of the International Scientific and Practical Conference. Omsk, 2017, pp. 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. Suvorov A. P., Kuzovkin A. V. The use of additive technologies in the production of shaped surfaces // Bulletin of the Rybinsk State Aviation Technological Academy. P. A. Solovyova. 2017. № 2. C. 9-15.
9. Suvorov A. P., Kuzovkin A. V. Parametric design of an electric tool for electrical machining using the ilogic module // Bulletin of the Bryansk State Technical University. 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. Achilles, 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/10.1080/00207543.2017.1282645.
12. Suvorov A. P., Kuzovkin A. V. Prospects for the use of modern information technologies in the processing of complex surfaces // Bulletin of the Voronezh Institute of High Technologies. 2016. – № 1. – C. 83-87.
13. Smolentsev, V. P. Design of tooling for electrical processing methods / V. P Smolentsev, A. V. Kuzovkin, M. G. Potashnikov – Voronezh : VSTU, 2006. – p. 149.
14. Kuzovkin, A. V. Manufacturing technology of a combined electrode-tool by additive methods // Kuzovkin A. V., Suvorov A. P., Norman A. V., Potashnikov M. G. In : Modern production technologies in mechanical engineering. Interuniversity collection of scientific papers. Voronezh, 2021. – S. 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. Kuzovkin, A. V. Method for designing a combined electrode-tool for the purpose of manufacturing using additive technology // Kuzovkin A. V., Suvorov A. P., Norman A. V., Kotukov V. I. In : Modern technologies production in mechanical engineering. Interuniversity collection of scientific papers. Voronezh. – 2021. – S. 129-134.
19. Shalkauskas M. I., Vashkyalis A. I. Chemical metallization of plastics. – [b.m.] : Chemistry, 1985.
