CC BY
80
УДК 621.9.047/048
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФАСОННОГО ИНСТРУМЕНТА НА ОСНОВЕ БЫСТРОГО ПРОТОТИПИРОВАНИЯ
А.В. Кузовкин, А.П. Суворов
В статье рассмотрена возможность изготовления инструмента для электрофизических методов обработки на основе применения современной технологии построения цифровых прототипов и 3D печати для нужд единичного и мелкосерийного производства
Ключевые слова: электрофизическая обработка, прототип, 3Dпечать
В настоящее время сложнопрофильные поверхности деталей обрабатывают на многокоординатных станках с ЧПУ, применяя инструмент относительно простой формы, которому, как правило, придают сложное следящее движение формообразования[1]. Однако при всей универсальности процесса существует определенный класс поверхностей, которые характеризуют как поверхности сложного профиля, которые в силу физических и геометрических параметров рабочих движений инструмента на данных операциях обработаны быть не могут[2]. Это накладывает определенные ограничения на конструкцию деталей, когда еще на этапе проектирования приходится упрощать подобные поверхности в ущерб эксплуатационным показателям изделия. При этом во главу угла ставятся имеющиеся в распоряжении предприятия технологические возможности обрабатывающего оборудования.
Существуют производительные методы формообразования сложнопрофильных поверхностей фасонными инструментами на основе применения электрического поля. Однако этап конструирования электродов-
инструментов(ЭИ) для их реализации связан со сложностью, а иногда и невозможностью теоретического расчета рабочего профиля инструмента, реализующего процесс [3].
Снизить трудоемкость таких расчетов, повысить точность рабочего профиля инструмента представляется возможным за счет использования системы трехмерного геометрического моделирования. Предлагаемый подход позволяет оперировать объемными поверхностями, тем самым снижая загруженность расчетной подсистемы, и на выходе получать техническую и конструкторскую документацию в
Кузовкин Алексей Викторович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, e-mail: akuzovkin@mail.ru Суворов Александр Петрович - ВГТУ, ст. преподаватель, e-mail: alex_diz@inbox.ru
виде моделей и рабочих чертежей инструмента с нужными сечениями по его объемной модели. Впоследствии,по уже имеющейся технической документации, электроды-инструменты могут быть изготовлены путем быстрого про-тотипированияметодами 3Б-печати из достаточно технологичных и незатратных материа-лов(пластика).
Электрические методы обработки основаны на использовании либо явления электрической эрозии - направленного разрушения токопроводящих материалов в результате теплового действия импульсных электрических разрядов между инструментом и обрабатываемой деталью, либо анодного растворения материала заготовки. При этом явление непосредственного контакта между инструментом и заготовкой, присущее традиционному резанию или пластическому деформированию, в данном случае отсутствует. Это позволяет использовать в качестве рабочей основы, формирующей профиль, для электрода-инструмента пластик с низкими прочностными показателями. Для обеспечения формирования рабочей зоны обработки на поверхность такого фасонного инструмента в местах, где планируется проведение обработки наносится токопрово-дящий материал, обеспечивающий формирование электрического поля в зоне обработки.
Процесс подготовки и изготовления подобного комбинированного инструмента представляется целесообразным выполнять в несколько этапов.
Этап 1. Проектирование моделиобра-батываемой поверхности.
Согласно классической теории, огибающая исходная инструментальная поверхность (ИИП) - есть огибающая поверхности детали при ее движении относительно неподвижного инструмента[4, 5]. Поэтому исходными данными при определении ИИП являются задан-
ная поверхность детали и схема формообразования.
Поскольку режущий инструмент предназначен, с одной стороны, для срезания припуска, а с другой - для придания обрабатываемой поверхности требуемой формы, то на стадии проектирования стружечной канавки необходимо, чтобы ее форма соответствовала функциональному назначению инструмента.
Кроме того, целесообразно использовать не прямые, а винтовые зубья, поскольку они обладают более высокими эксплуатационными показателями, позволяющими повысить производительность обработки и стойкость инструмента, улучшить качество обрабатываемой поверхности, а также снизить динамические нагрузки на станок, что важно в условиях гибких производственных систем (ГПС). Однако винтовые зубья фасонных инструментов отличаются сложностью изготовления и увеличенными погрешностями [6].
Использование фасонных инструментов с криволинейной образующей для обработки линейчатых поверхностей требует установления рациональных значений параметров образующей ИИП. Такая образующая инструмента может быть выпуклой, вогнутой или выпукло-вогнутой состоящей из касающихся друг друга в некоторой точке дуг, кривизна каждой из которой удовлетворяет определенному условию. В качестве примера была выбрана выпуклая образующая, хотя при трёхмерном моделировании возможно строение и вогнутых и выпукло-выгнутых образующих (рис.1).
Рис. 1. Внешний вид модели фасонного инструмента
В качестве образующей или ее отсеков могут использоваться различные кривые второго порядка (парабола, гипербола, эллипс, окружность и т. д.), трансцендентные кривые (логарифмическая спираль, спираль Архимеда и т.д.), т.е. почти все непересекающиеся кривые.
Однако, рассматриваемый нами подход формообразования с использованием комбинированных и электрических методов обработки принципиально отличается от традиционных методов лезвийной обработки материалов. В нашем случае используются методы копирования (и его разновидности), когда профиль инструмента переносится на профиль заготовки без непосредственного контакта между ними, а в рабочей зоне наблюдается межэлектродный зазор в котором формируется электрическое поле, выполняющее формообразовательные функции. Поэтому, после определения формы обрабатываемой поверхности можно переходить ко второму этапу проектирования инструмента, собственно определению геометрии профиля ЭИ.
Этап 2. Моделирование рабочей части
ЭИ.
По созданному фасонному инструменту форму электрода инструмента можно спроектировать средствами современных САПР различного уровня (рис.2).
Рис. 2.Построение ЭИ средствами САПР путем обратного копирования профиля детали и корректировки его на величину межэлектродного зазора
Основываясь на полученной цифровой модели ЭИ (ее прототипе), возможно его дальнейшее изготовление методами ЗБпечати и использование в производстве.
В общем случае процесс проектирования и изготовления инструмента для электрических методов по предлагаемой методике цифрового прототипирования может быть сформулирован в виде следующей последовательности:
- создание цифрового прототипа ЭИ на основе твердотельной модели готовой детали (или участка детали, формообразование которого будет проводиться с применением электрических методов обработки);
- параметризация (взаимоувязывание) геометрических размеров модели ЭИ с параметрами обработки на основе известных и апробированных теоретических зависимостей электроэрозионной или электрохимической обработок с учетом величины межэлектродного зазора, толщины токопроводящего покрытия, режимов обработки, применяемого оборудования и рабочих сред;
- проектирование площадок подвода электрического тока и токоподводов в рабочую зону в зависимости от применяемого оборудования;
- моделирование процесса обработки средствами САПР технологических процессов с коррекцией геометрии и режимов обработки. На данном этапе могут быть применены апробированные САПР типа Edgecam или Inventor HSM Express[7, 8];
- изготовление ЭИ из нетокопроводяще-го материала на 3D принтере с точностью, обеспечивающей протекание процесса ЭЭО;
- нанесение на подготовленную заготовку ЭИ, выполненного на предыдущем этапе, токопроводящего покрытия как в рабочей зоне, так и в зоне токоподводов;
- осуществление ЭЭО с применением инструмента, выполненного индивидуально для конкретной номенклатуры обрабатываемых поверхностей.
Литература
1. Фадюшин И.С. и др. Инструмент для станков с ЧПУ, многоцелевых станков и ГПС. И.С.Фадюшин, Я.А.Музыкант, А.И.Мещеряков и др. - М.: Машиностроение, 1990. 272 с.
2. Кузовкин А.В. Финишная обработка деталей сложного профиля. - Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2008. № 3-3. С. 75-77.
3. Кузовкин А.В. Разработка нестандартных технологических процессов электрических методов обработки.// Кузовкин А.В., Печагин П.И., Смоленцев В.П. -Воронеж, ВГТУ, 2012. - 139 с.
4. Радзевич С.П. Профилирование фасонных инструментов для обработки сложных поверхностей на многокоординатных станках. - Станки и инструмент. 1989. № 7. с. 10-12.
5. Гречишников В.А. Профилирование инструмента для обработки винтовых поверхностей деталей по методу совмещенных сечений. Руководство по курсовому и дипломному проектированию. - М.: Мосстанкин, 1979.- 27с.
6. Щегольков Н.Н. Итерационный способ компьютерного профилирования дисковых инструментов для винтовых поверхностей. Учебное пособие. - М.: Мос-станкин, 1991.- 49с.
7. http://www.edgecam.ru
8. http://www.hsmworks.com/hsmxpress
Воронежский государственный технический университет
DESIGN OF MANUFACTURING OF SHAPED TOOLS BASED ON RAPID PROTOTYPING
A.V. Kouzovkin, A.P. Suvorov
The article considers the possibility of making a tool for electro-processing techniques based on the use of modern technology to build digital prototyping and 3D printing for the needs of single and small batch production
Key words: electrophysical processing, prototype, 3D printing
