CC BY
215
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
УДК 621.9.048
ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ОСНАСТКИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПРОТОТИПИРОВАННЫХ
ОПРАВОК
В.В. Любимов, Д.Г. Пермяков
Разработана методика получения технологической оснастки с использованием прототипированных оправок. Предложены схемы получения различных объектов на основе разработанной методике. Проведены эксперименты по химической металлизации оправок, формированию функционального слоя пресс-форм, посредством гальванического выращивания. Представлены результаты исследований. Проведен анализ полученного микрорельефа, определены основные геометрические характеристики микрорельефов, дана оценка точности форы получаемой поверхности.
Ключевые слова: технологическая оснастка, пресс-форма, гальваническое выращивание, быстрое прототипирование, химическая металлизация, микрорельеф, сложнофасонная геометрия, аддитивные технологии.
Введение. В настоящее время существует большая потребность в изготовлении технологической оснастки (пресс-форм), обладающей сложнофасонными поверхностями. Зачастую многие элементы такой пресс-формы невозможно получить традиционными способами обработки. Существует метод высокоскоростного электролитического формования (ВЭФ) [1,2], позволяющий изготавливать различную технологическую оснастку, в том числе со сложнофасонной геометрией, основанный на применении мастер-моделей (оправок) и высокоскоростном электролитическом осаждении осадка на поверхности оправки. Вследствие того, что технологическая оснастка (пресс-формы) изготавливаются в штучном и единичном производстве, метод ВЭФ хорошо подходит для изготовления тех-
нологической оснастки, в том числе оснастки со сложнофасонной геометрией. Несмотря на то, что мастер-модели (оправки) изготавливаются в единичных экземплярах, это является достаточно трудоемкой и сложной задачей, если оправка должна обладать сложнофасонной геометрией и/или микрорельефом на поверхности. Поэтому существует необходимость в разработке новой методике, позволяющей изготавливать оправки со сложнофасонной геометрией и/или микрорельефом на поверхности с большей производительностью, меньшей трудоемкостью, а также расширяющая технологические возможности в получении сложнофасонных элементов.
Одним из путей изготовления сложнофасонных поверхностей и деталей со сложной пространственной формой является применение методов прототипирования для их изготовления, относящийся к аддитивным технологиям. Аддитивные технологии, обладают рядом особенностей, которые позволяют создавать объекты (модели) сложной пространственной формы и обладающие макро- и/или микрорельефом на поверхности, непосредственно из цифровой ЭБ-модели объекта[10].
Ряд методов прототипирования (порошкового спекания) позволяют получать токопроводящие объекты, что позволяет непосредственно применять такие объекты в качестве оправок, однако затрудняет процесс отделения (разрушения) оправки от функционального слоя. Другие методы прототипирования позволяют получать нетокопроводящие объекты, что вызывает необходимость в их металлизации для применения в качестве оправок, но такие материалы легче поддаются отделению (разрушению) от функционального слоя. При этом различные методы прототипирования обладают различной производительностью и точностью[9]. Таким образом, можно утверждать, что аддитивные технологии обладают широким спектром возможностей, а их применение весьма перспективно.
Цель работы - разработка технологии изготовления технологической оснастки с использованием прототипированных оправок.
Методика проведения исследований. На основании имеющихся особенностей аддитивных технологий и необходимости в изготовлении различной технологической оснастки, предложена классификация методов получения различных объектов на основе прототипированных оправок (рис.1). Данная классификация учитывает метод получения оправки, а также ряд характерных особенностей получаемых объектов. Представленные способы получения технологической оснастки основаны на следующей методике:
1. Изготовление оправки одним из методов быстрого прототипирования.
2. Металлизация поверхности оправки, при применении нетокопроводящих материалов.
3. Гальваническое выращивание осадка определенной толщины на необходимой поверхности оправки.
4. Завершающие операции в зависимости от необходимого результата (отделение от оправки и травление оправки или сохранение оправки).
Таким образом, применяя различные аддитивные технологии при изготовлении оправки возможно формировать различные объекты по форме и размерам, с различной степенью точности и качеством поверхности, наличием или отсутствием микрорельефа, а также в зависимости от поставленной задачи изготавливать оправки с различной производительностью. Применение гальванического выращивания по различным схемам заращивания и с формированием различных толщин осадка позволяет изготавливать объекты (технологическую оснастку) с различной сложнофасонной геометрией и/или обладающие микрорельефом на поверхности.
Рис. 1. Способы получения технологической оснастки с использованием прототипированных оправок
Экспериментальные исследования. На основании разработанной классификации и методике производился ряд экспериментов с применением электрофизикохимических методов обработки, на основе прототипиро-ванных оправок. Эксперименты проводились по следующей методике:
1. изготовление оправки методом прототипирования (FDM) на основании созданной трехмерной модели (рис.5);
2. химическая металлизация оправки;
3. гальваническое выращивание осадка на оправке для формирования функционального слоя пресс-формы;
4. разделение полученного осадка на необходимое количество частей по линии разъема;
5. удаление исходной оправки путем химического травления материала оправки (АБС пластик);
6. при необходимости, для повышения эксплуатационных характеристик пресс-формы, произвести электролитическое осаждение никеля на поверхности;
7. формирование технологического (конструкционного) слоя пресс-формы.
В качестве метода изготовления оправки применялся метод прототипирования - Fused Deposition Modeling (FDM), данный метод был применен вследствие его доступности и возможности формировать объекты с микрорельефом на поверхности, а применяемые материалы (АБС пластик) относительно легко подвергаются различным видам обработки. FDM (Fused Deposition Modeling) - процесс послойного наложения расплавленной полимерной нити. При помощи FDM-технологии можно создавать трехмерные объекты из твердотельных или поверхностных электронных моделей, полученных в CAD-системе. Термопластичный моделирующий материал в форме тонкой нити, диаметром около 1,78 мм, подаётся в экструзионную (выдавливающую) головку с системой регулировки температуры, где он разогревается до полужидкого состояния. Выдавливающая головка наносит материал очень тонкими слоями на неподвижное основание, формируя за один проход законченный слой детали. Последующие слои наносятся на предыдущие, отвердевают, соединяются друг с другом (рис. 2)[12].
натушка с материалом кэтушна с основным
поддержек (Б$'Пла?.тш) материалом
(ABS-пластии)
исходная САО-модсль я STL-формате
нягревякзщяя еолоыш с фильерами (движение mXfY)
готовый прототип
удаляемая поддержка основание? на столе
(движения по Ж)
Рис. 2. Схема ГОИ - процесса
Методом ББМ были получены оправки различных форм и размеров из АБС пластика, представлены на рис.3 и рис.4, все оправки обладают определенной шероховатостью и микрорельефом на поверхности.
Рис. 3. Оправки из АБС пластика (1-ая группа)
Рис. 4. Оправки из АБС пластика (2-ая группа)
Согласно разработанной методике, в дальнейшем производилась металлизация поверхности оправок, по причине нетокопроводности материала (АБС пластик). Применялась химическая металлизация оправок: меднение (рис.5), и никелирование (рис.6).
Последующее гальваническое выращивание для всех оправок производилось в сульфатном электролите меднения: СиБ04 • 5Н2О - 180 г/л; Н2Б04 - 40 г/л. В результате гальванического выращивания получены раз-
личные по толщине осадки меди, представленные на рис.7.
Рис. 5. Поверхность оправок с нанесённым слоем меди методом
химической металлизации
Рис. 6. Поверхность оправок с нанесённым слоем никеля методом
химической металлизации
В зависимости от средней величины плотности тока при осаждении, и общего времени протекания процесса изменяется получаемая толщина, осадков (рис.8). При различных режимах осаждения, средние значения толщин полученных осадков от 0,6 мм до 2 мм. Изменения сформированных толщин осадков, представленные на рис.7, вызваны влиянием гидродинамического режима (интенсивностью и характером перемешивания электролита) при осаждении, а также различной геометрией оправок, которая вызывает неравномерность толщины осадка по поверхности.
Полученные осадки разделялись на две части (совместно с оправ-
ками), материал оправки подвергался химическому травлению и оправка удалялась. Для повышения эксплуатационных характеристик пресс-форм производилось электролитическое осаждение никеля, на этом этапе завершалось формирование функционального слоя. В последующем формировался конструкционный слой, и объединялся с функциональным слоем.
Рис. 7. Полученные осадки меди на поверхностях оправок
Толщина осадка, мм Усредненные ЗНЭЧеНИЯ ТОЛЩИН ОСЭДКОВ
2 3 4,5 8 7 Средняя плотность тока, А/дм’
45,5 134 50,2 57,8 61,6 Общее время осаждения, ч
ш
■ Толщины осадков
Рис. 8. Изменение толщин осадков, в зависимости от средней плотности тока и времени осаждения
В результате получены пресс-формы, обладающие микрорельефом на поверхности, представлены на рис.9.
а б
Рис. 9. Пресс-формы с микрорельефом на поверхности:
1 - конструкционный слой из латуни; 2 - функциональный слой с никелевым покрытием; а - нижняя часть пресс-форм; б - верхняя часть пресс-форм
Результаты и обсуждение. Для анализа и оценки характеристик получаемой технологической оснастки, определения геометрических свойств микрорельефа и точности формы применялась: оптическая микроскопия, с использованием микроскопа БМИ-1; исследование профиля поверхности, с использованием профилографа-профилометра Kosaka Lab. Surfcorder SE- 1700a.
С помощью оптической микроскопии установлены основные геометрические характеристики микрорельефа, отображены на рис. 11, а также определены усреднённые значения размеров единичных элементов микрорельефа и расстояний между элементами (рис. 12).
Из анализа полученных результатов (рис.11,12), установлено, что на характерные геометрические свойства микрорельефа влияет метод получения прототипированой оправки и характер протекания процесса формирования оправки. Метод прототипирования является определяющим при
формировании микрорельефа, в частности для ББМ метода определяющими факторами являются: траектория наложения нити; толщина нити; способ подачи нити и нагрева; способ и скорость охлаждения; скорость подачи нити и скорость протекания процесса в целом. Изменения, вносимые в характер формирования оправки, а также применение других методов прототипирования приведет к различным геометрическим формам микрорельефа, или при определенных условиях (если таковые необходимы) к формированию поверхностей без микрорельефа.
а б
Рис.11. Геометрия микрорельефа: а - общий вид микрорельефа; б - увеличенная область микрорельефа
Рис. 12. Усредненные значения размеров микрорельефа
Для определения точности копирования геометрических характеристик исходной оправки, а также для определения точности копирования объектов с полученной технологической оснастки производились измерения профиля поверхности, соответственно: оправки из АБС пластика, представлено на рис.13; фрагмента осадка меди, представлено на рис.14; силиконового оттиска, представлено на рис.15.
Рис. 13. Поверхность оправки из АБС пластика: а - вид оправки; б - увеличенный вид поверхности; в - полученная профилограмма поверхности
а
мкмА
б
в
Рис. 14. Поверхность фрагмента осадка меди: а - вид осадка; б - увеличенный вид поверхности; в - полученная профилограмма поверхности
281
а
б
в
Рис.15. Поверхность силиконового оттиска: а - вид оттиска; б - увеличенный вид поверхности; в - полученная профилограмма поверхности
Из анализа полученных результатов (рис.13,14,15), установлено, что точность формирования осадка (технологической оснастки) составляет от 15 до 45 мкм, при этом ряд участков поверхности имеют отклонения от изначальной формы по равномерности вершин и впадин. Это предположительно вызвано характерной методикой изготовления технологической оснастки и свойствами материала оправки, а именно: при химической металлизации оправка подвергается предварительной обработке (травление), что влияет на качество поверхности; при химической металлизации получаемой слой металла может формироваться неравномерно; материал оправки обладает определенной пористостью, что оказывает влияние на проникновение электролита и в итоге на геометрию получаемой оснастки; при гальваническом выращивании на предельно допустимых плотностях тока (или
выше) скорость формирования кристаллов на разных участках поверхности может существенно отличаться, что также оказывает влияние на равномерность получаемой поверхности. Сравнительный анализ профилограмм фрагмента осадка и полученного с него силиконового оттиска показал, что точность копирования оттиска составляет от 10 до 25 мкм, такие значения вызваны усадкой материала (силикон) при формировании оттиска, а также недостаточно плотным и равномерным усилием контакта силикона с медным осадком, что вызывает определенную неравномерность поверхности.
Суммарно проанализировав результаты, установлено, что микроэлементы на поверхности исходной оправки и микроэлементы на поверхности получаемого изделия, при применении данной технологии, будут отличаться в среднем на 30-45 мкм. Но значение величины точности копирования во многом зависит от метода получения оправки, материалов оправки, и материалов применяемых при изготовлении изделий с применением полученной технологической оснастки.
Выводы. Предложена классификация методов получения различных объектов на основе прототипированных оправок. Разработана методика изготовления технологической оснастки, оладающей сложнофасонной геометрией и/или микрорельефом на поверхности, с использованием про-тотипированных оправок.
На основании разработанной методике проведены экспериментальные исследования, в результате которых получено несколько пресс-форм различной геометрией, обладающие микрорельефом на поверхности.
В ходе проведения экспериментов установлено, что материал и структура получаемой оправки обладают определенной пористостью, и это оказывает влияние на характер получаемой поверхности и микрорельефа.
Проведен анализ полученных результатов, в частности:
1) Определены основные геометрические характеристики микрорельефа, формируемого при помощи ББМ-технологии.
2) Определена точность копирования формы по предлагаемой методике, которая составляет 30-45 мкм. А также установлено, что в зависимости от применяемых методов быстрого прототипирования и материалов точность копирования формы будет изменяться.
На основании всего вышеизложенного можно сделать вывод, что по предложенной методике возможно изготавливать различную технологическую оснастку обладающую микрорельефом на поверхности.
Список литературы
1. Высокоскоростное электрохимическое формообразование. / А.Д.Давыдов, Е.Козак. М.: Наука,1990. 272 с.
2. Вячеславов П.М., Волянюк Г.А. Электролитическое формование. Л.: Машиностроение, 1979. 200 с.
283
3. Гальванические покрытия в машиностроении. Справочник. В 2х томах/ Под ред. М. А. Шлугера, Л. Д. Тока. М.: Машиностроение, 1985. Т. 2. 1985. 248 с.
4. Любимов В.В., Сундуков В.К., Гладун А.А. Изготовление формообразующих элементов пресс-форм методом скоростной гальваники // Проблемы теории проектирования и производства инструмента. Тула, ТулГУ. 1995. С.77-79.
5. Мельников А. В. Справочник по гальванопокрытиям в машиностроении. М.: Машиностроение, 1979. 296 с.
6. Пермяков Д.Г. Исследование процесса электролитического формирования вставок пресс-форм: дис. ...магистр. Тула, ТулГУ, 2011. 85 с.
7. Садаков Г. А. Гальванопластика. М.: Машиностроение, 1987,
287 с.
8. Сундуков В.К. Технологические основы высокоэффективного электролитического формования. Дисс. на соиск. ученой степени доктора техн. наук. Тула, ТулГУ. 1998. 434с.
9. Agarwala MK, Jamalabad VR, Langrana NA et al (1996) Structural quality of parts processed by fused deposition. Rapid Prototyping J 2(4):4-19, pub. by Emerald
10. I. Gibson , D. W. Rosen, B. Stucker (2010) Additive Manufacturing Technologies. Rapid Prototyping to Direct Digital Manufacturing, pub. by Springer, 459p.
11. Stevens MJ, Covas JA (1995) Extruder principles and operation, 2nd edn, pub. by Springer, 494p.
12. Zein I, Hutmacher DW, Tan KC, Teoh SH (2002) Fused deposition modeling of novel scaffold architectures for tissue engineering applications. J Biomaterials 23:1169-1185, pub. by Elsevier
Любимов Виктор Васильевич, д-р техн. наук, проф., pcpt_tsu@,mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Пермяков Денис Геннадиевич, ассистент, den.perm88@yandex. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
TECHNOLOGY OF TECHNOLOGICAL RIGGING WITH USING PROTOTYPING
MANDRELS
V. V. Lyubimov, D. G. Permiakov
The technique of rigging using prototyping mandrels. Proposed schemes of obtaining various objects on the basis of developed technique. Performed experiments on chemical metallization mandrels, forming a functional layer molds by galvanic growth. The results of the research. The analysis of the resulting micro-relief, and determined the main geometry of the micro-relief, accuracy of the estimation of the odds of the resulting surface.
Key words: technological rigging, molds, electroplating growing, rapid prototyping, electroless plating, microrelief, complex shaped geometry, additive technologies.
Lyubimov Victor, doctor of technical sciences, professor, pcpt_tsu@,mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Permiakov Denis, assistant, den.perm88@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.86.067-251-26
ВЫДАЧА ПРЕДМЕТОВ ОБРАБОТКИ В ВИБРОРОТОРНОМ АВТОМАТИЧЕСКОМ ЗАГРУЗОЧНОМ УСТРОЙСТВЕ
Н.А. Усенко, Чу Куок Тхуан
Рассмотрены вопросы выдачи предметов обработки в приемное устройство, когда лоток вращается совместно с бункером вибророторного автоматического загрузочного устройства, но не связан с бункером, даны зависимости времени выдачи от коэффициента трения и угловой скорости вращения бункера. Разработаны рекомендации для проектирования виброротороного автоматического загрузочного устройства.
Ключевые слова: вибророторное автоматическое загрузочное устройство, выдача предметов обработки.
Выдача предметов обработки из захватных органов в приемник заключается в сообщении предмету обработки одной или двух вариаций свободы движения из захватных органов, с соблюдением условия сохранения их ориентации.
В простейших конструкциях автоматических бункерных загрузоч-но-ориентирующих устройств выдача предметов обработки происходит под действием сил тяжести и сил инерции, что значительно упрощает их конструкцию. В более сложных конструкциях выдача предметов обработки происходит под действием пружин или специальных толкателей, приводимых в движение от кулачков [1, 2].
Процесс выдачи предметов обработки из захватных органов вибро-роторного автоматического загрузочного устройства (ВРАЗУ) вследствие большого количества различных конструкций весьма разнообразен, но можно найти некоторые обобщенные решения.
Вопрос о выдаче предметов обработки из захватных органов в приемник следует рассматривать как с позиции динамики (с помощью каких сил происходит выдача) так и кинематики (какой путь проходит предмет обработки от захватного органа к приемнику, какова траектория движения предмета обработки и какова скорость и ускорение при движении).
285
