CC BY
16
real production conditions are given. For the considered machining conditions, it was found that the criterion for the failure of the cutting tool is an increase in the radius at the tip of the tool by more than 0.08 mm, which corresponds to an increase in the load on the spindle by 12% compared with the machining by the new tool.
Key words: tool life, drive load, cutting conditions, cutting force, power, tool reliability.
Salnikov Vladimir Sergevich, doctor of technical science, professor, Russia, Tula, Tula State University,
Zhmurin Vladimir Viktorovich, candidate of technical science, engineer-technologist, Vladimir zhmurinamail.ru, Russia, Tula, public corporation "Sheglovskiy val",
Antsev Alexander Vitalyievich, candidate of technical science, docent, a.antsevayandex.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.7
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ ЕДИНИЧНОГО СЛОЯ ПРИ АДДИТИВНОМ ФОРМООБРАЗОВАНИИ ИЗДЕЛИЙ
А.Н. Гречухин, В.В. Куц, М.С. Разумов
Рассмотрены вопросы исследования точности формирования поверхностного слоя аддитивными методами. Проведен анализ трудов по теме исследований. Выявлено, что формообразование поверхностей сложного профиля аддитивными методами характеризуется высокими значениями величины погрешности формообразования (аппроксимации). Предложено для повышения точностных характеристик изделий, получаемых аддитивными методами, осуществлять пространственную ориентацию единичного слоя таким образом, чтобы величина погрешности формообразования была минимальной. Проведены экспериментальные исследования, в результате которых предложены математические зависимости для определения величины параметров единичного наплавляемого слоя.
Ключевые слова: аддитивные технологии, послойный синтез, формообразование, погрешность.
Аддитивные технологии в настоящее время заменили традиционные подходы к проектированию и изготовлению сложнопрофильных деталей различного назначения. Однако геометрические характеристики деталей, получаемых аддитивными методами, не являются идентичными характеристикам деталей, получаемых субтрактивными методами [1]. Дело в том, что формообразование аддитивными методами характеризуется высокими значениями величины статической составляющей погрешности обработки -погрешности формообразования (аппроксимации). Это связано с тем, что формирование поверхностного слоя элементов сложной формы происходит построчно, профиль поверхностного слоя образуется в результате аппроксимации сложнопрофильной поверхности участками поперечного сечения единичного наплавляемого слоя. Снижение погрешности формообразования (аппроксимации) при формообразовании аддитивными методами является актуальной задачей.
Исследованию механизмов образования погрешностей при формообразовании субтрактивными и аддитивными методами посвящено большое количество научных трудов.
В работе [3] были исследованы вопросы формирования погрешностей при механической обработке, погрешность обработки рассматривалась как результат действия соответствующих составляющих
Аг = Аг + Аг + Аг +Аг +Аг , (1)
0 ст дин тем из.ин из.ст' V1/
где Агст - статическая составляющая погрешности обработки; Агдин - динамическая составляющая погрешности обработки; Агтем и Агизин - погрешности, вызванные соответственно температурными деформациями и износом инструмента; Агизст - погрешность вызванные износом деталей узлов.
Формообразование деталей аддитивными методами характеризуется высокими значениями величины статической составляющей погрешности обработки, в частности величиной погрешности формообразования (аппроксимации) (рис. 1).
Рис. 1. Схема определения погрешности формообразования аддитивными методами при неизменной ориентации единичного наплавляемого слоя: Аг - суммарная погрешность; А^ - погрешность формы;
А г - погрешность формообразования (апроксимации)
Повышение точности аддитивных методов формообразования является актуальной задачей, для решения которой необходимо определить геометрические параметры единичного наплавляемого слоя, ориентировать его в пространстве таким образом, чтобы величина погрешности формообразования (аппроксимации) была минимальной (рис. 2).
Рис. 2. Формирование погрешности формообразования аддитивными методами при ориентации единичного наплавляемого слоя: Аг - суммарная погрешность; А^ - погрешность формы;
А г - погрешность формообразования (апроксимации)
Для обеспечения рациональной пространственной ориентации единичного наплавляемого слоя необходимо определить и математически описать геометрические параметры его формы, размеры. Для этого были проведены экспериментальные исследования.
Согласно плану эксперимента (табл. 1), были наплавлены образцы единичных слоев - варьируемые параметры: толщина единичного слоя И, мм; температура разогрева экструдера °С; скорость перемещения экструдера V, мм/с; изготовлены шлифы, которые были исследованы на микроскопе инструментальном ММИ-2.
Таблица 1
План эксперимента_
№ X1 X2 Х3
Код h, мм Код t, °C Код v, мм/c
1 + 0,22 + 212 + 23
2 - 0,38 + 212 + 23
3 + 0,22 - 228 + 23
4 - 0,38 - 228 + 23
5 + 0,22 + 212 - 47
6 - 0,38 + 212 - 47
7 + 0,22 - 228 - 47
8 - 0,38 - 228 - 47
9 -1,215 0,2 -1,215 210 -1,215 10
10 +1,215 0,4 +1,215 230 +1,215 60
11 0 0,3 0 220 0 35
12 0 0,3 0 220 0 35
13 0 0,3 0 220 0 35
14 0 0,3 0 220 0 35
15 0 0,3 0 220 0 35
Были зафиксированы координаты точек на кривых, образующих поперечное сечение единичного слоя, произведена аппроксимация этих точек по уравнению эллипса - именно такая форма поперечного сечения единичного слоя наблюдалась в образцах (рис. 3), по разности координат характерных точек на поверхности профиля поперечного сечения единичного слоя были определены параметры ширины а и высоты Ь единичного наплавленного слоя.
Рис. 3. Образцы единичного наплавленного слоя
Наплавление единичного слоя проводилось на аддитивной установке мод. Makerbot Replicator 2, материал единичного слоя пластик ABS.
В ходе измерений параметров единичного наплавленного слоя были получены комбинации величин его геометрических параметров, ширины а и высоты b. Результаты исследования представлены в табл. 2.
Таблица 2
Параметры поперечного сечения единичного слоя
№ опыта 1 2 3 4 5 6 7 8
а, мм 0,545 0,8 0,65 0,8 0,565 0,845 0,595 0,755
Ь, мм 0,29 0,38 0,2 0,29 0,25 0,29 0,23 0,37
№ опыта 9 10 11 12 13 14 15
а, мм 0,65 0,68 0,605 0,615 0,6 0,615 0,6
Ь, мм 0,15 0,51 0,28 0,32 0,32 0,32 0,32
Для математического описания геометрических характеристик наплавленного единичного слоя была произведена обработка результатов эксперимента, получены математические зависимости, отражающие влияние элементов режимов аддитивного формообразования на величину ширины а и высоты Ь единичного наплавленного слоя: а = И(3,56И + 8,536) - г(0,043И - 0,02) + у(0,0002Г - 0,04) - 3,87; (2)
Ь = И(4267 - 5,595И) - г(0,0006И - 0,028) + у(0,000312 - 0,065) - 31,45, (3) где И - толщина единичного слоя, мм; г - температура разогрева экструдера, °С; V -скорость перемещения экструдера, мм/с.
В результате анализа полученных эмпирических зависимостей были построены графики, отражающие влияние режимов аддитивного формообразования на размеры единичного слоя.
210 215 220 225 230
1, °С
Рис. 4. Графики зависимости размеров единичного наплавленного слоя от режимов аддитивного формообразования (начало)
д
Рис. 4. Графики зависимости размеров единичного наплавленного слоя
от режимов аддитивного формообразования: а - высоты единичного слоя Ь, мм от температуры ^ °С, при h=0,2 мм; б - высоты единичного слоя Ь, мм от температуры ^ °С, при к=0,3 мм; в - высоты единичного слоя Ь, мм от температуры ^ °С, при h=0,4 мм; г - ширины единичного слоя a, мм от температуры ^ °С, при v=10 мм/с; д - ширины единичного слоя a, мм от температуры ^ °С, при v=35мм/с; е - ширины единичного слоя a, мм от температуры ^ °С, при v=60 мм/с
(окончание)
е
Результаты проведенного анализа позволили выявить характер изменения параметров ширины и высоты единичного наплавляемого слоя. В частности, видно, что при величине толщины наплавляемого слоя h=0,3 мм ширина единичного слоя a не зависит от величины температуры разогрева экструдера t.
В результате проведенных исследований получены математические зависимости, отражающие влияние элементов режимов аддитивного формообразования на параметры поперечного сечения единичного наплавленного слоя.
Последующим этапом исследований является разработка способов и устройств для обеспечения динамической пространственной ориентации конечного звена формообразующей системы аддитивной установки, применение которых позволят обеспечить пространственную ориентацию единичного наплавляемого слоя, при которой профиль формообразуемой детали будет аппроксимирован участками единичного слоя с меньшей кривизной.
Это позволит снизить величину погрешности формообразования (аппроксимации), повысить точность формообразования аддитивными методами.
Исследование выполнено при финансовой поддержке Гранта Президента Российской Федерации для молодых ученых МК-6406.2018.8.
Список литературы
1. Burns M. Automated Fabrication: Improving Productivity in Manufacturing. Eng-lewood Cliffs, N.J., USA: PTR Prentice Hall, 1993. 369 p.
2. Сапрыкин А.А. Повышение производительности процесса селективного лазерного спекания при изготовлении прототипов: дисс. канд. техн. наук: 05.03.01: защищена 19.11.06: утв. 13.04.07. Юрга: Томский политехнический университет, 2006.
3. Проников А.С. Проектирование металлорежущих станков и станочных систем: Справочник-учебник. В 3 т. Т. 1. Проектирование станков [Текст] / А.С. Проников, О.И. Аверьянов, Ю.С. Аполлонов и др.; Под общ. ред. А.С. Проникова. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана: Машиностроение, 1994. 444 с.
4. Improving the quality of additive methods for forming the surfaces of odd-shaped parts with the application of parallel kinematics mechanisms Kuts V.V., Razumov M.S., Grechukhin A.N., Bychkova N.A. International Journal of Applied Engineering Research. 2016. Т. 11. № 24. С. 11832-11835.
5. Червяков Л.М. Трансфер аддитивных технологий: промышленность Курской области [монография] / Л.М. Червяков, Н.А. Бычкова, Н.В. Елисеева и др. .ЗАО «Университетская книга» Курск, 2016. 168 с.
6. Доброскок, В.Л Рациональная ориентация изделий при их послойном формообразовании на базе исходной триангуляционной 3d модели [текст] / В.Л. Доброскок, Л.Н. Абдурайимов, С.И. Чернышов // Ученые записки Крымского инженерно-педагогического университета. 2010. № 24. С. 13-21.
7. Optimum part deposition orientation in stereolithography / S. K. Singhal, A. P. Pandey, P. M. Pandey, A. K. Nagpal // Computer-Aided Design & Applications. 2005. Vol. 2. Nos. 1-4. P. 319-328.
8. Hong S. Byun. Determination of optimal build direction in rapid prototyping with variable slicing / Hong S. Byun, Kwan H. Lee // Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2006. №. 28. P.307-313.
9. Hong S. Byun. Optimal part orientation of rapid prototyping using a genetic algorithm / Hong S. Byun, Kwan H. Lee // Computers & Industrial Engineering. 2004. P. 426431.
10. Hur J. The development of a CAD environment to determine the preferred buildup direction for layered manufacturing / J. Hur, K. Lee // Int. J. Adv. Manuf. Technol. 1998. №. 14. P. 247-254.
11. Kim J.Y. C. Determination of optimal part orientation in stereolithographic rapid prototyping / J.Y. Kim, K. Lee, J.C. Park // Technical Report, Department of Mechanical Design and Production Engineering. Seoul: Seoul National University. 1994.
12. Lan P.T. Determining fabrication orientations for rapid prototyping with stereo-lithography apparatus / S. Y. Chou, L. L. Chent, D. Gemmill // Computer- Aided Design. 1997. Vol. 29. № 1. P. 53- 62.
13. Massod S.H. A generic algorithm for part orientation system for complex parts in rapid prototyping / S. H. Massod, W. Rattanawong, P. Iovenitti // J. Mater. Process. Technol. 2003. Vol. 139. № 1-3. P. 110-116.
14. Masood S.H. A generic part orientation system based on volumetric error in rapid prototyping / S.H. Masood, W. Rattanawong // Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2002. № 19. P.209-216.
15. Егоров И.Н. Позиционно-силовое управление робототехническими и ме-хатронными устройствами / М-во образования и науки РФ, Гос. образовательное учреждение высш. проф. образования Владимирский гос. ун-т. Владимир, 2010. 192 с.
16. Лашнев С.И., Борисов А.Н., Емельянов С.Г. Геометрическая теория формирования поверхностей режущими инструментами [Монография] / Курск. гос. техн. ун-т. Курск, 1997. 391 с.
17. Емельянов С.Г. Разработка теории, методов и средств формирования поверхностей сборными металлорежущими инструментами на основе системного моделирования процесса их проектирования [Текст] / С.Г. Емельянов. Дис. д.т.н. Москва. 2001. 407с.
18. Куц В.В. Методология предпроектных исследований специализированных металлорежущих систем [Текст] / В.В. Куц. Дис. д.т.н. Курск. 2012. 366с.
19. Куц В.В. Построение модели формообразования длинных валов с РК -профилем сборной дисковой фрезой [текст] / В.В. Куц, В.В. Пономарев. Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2017. № 2 (322). С. 110-115.
20. Гречишников, В.А. Определение погрешности формы детали при формообразовании планетарным механизмом методами геометрической теории резания В. А. Гречишников, В.В. Куц, М.С. Разумов и др. СТИН. 2017. № 4. С. 24-26.
21. Errors in shaping by a planetary mechanism Grechishnikov V.A., Romanov V.B., Pivkin P.M., Kuts V.V., Razumov M.S., Grechukhin A.N., Yurasov S.Y. Russian Engineering Research. 2017. Т. 37. № 9. С. 824-826.
22. Высокоточный промышленный 6-и координатный робот [Электронный ресурс] URL: www.video.phim22.com/ n535u234a405i3w5m5b3x5.html (дата обращения: 20.05.2018).
Гречухин Александр Николаевич, канд. техн. наук, доцент, Agrechnhinamail. ru, Россия, Курск, Юго-Западный государственный университет,
Куц Вадим Васильевич, д-р техн наук, профессор, kuc-vadim@yandex.ru, Россия, Курск, Юго-Западный государственный университет,
Разумов Михаил Сергеевич, канд. техн. наук, доцент, mika 1984 amail. ru, Россия, Курск, Юго-Западный государственный университет
EXPERIMENTAL DETERMINA TION OF THE PARAMETERS OF THE CROSS-SECTION OF A SINGLE LAYER AT THE TIME OF FORMING ADDITIVE PRODUCTS
A.N. Grechukhin, V.V. Kuts, M.S. Razumov
Questions of accuracy of formation of a surface layer by additive methods are considered. The analysis of works on the subject of research. It is revealed that the formation of complex profile surfaces by additive methods is characterized by high values of the error of forming (approximation). It is proposed to improve the accuracy characteristics of the products obtained by additive methods, to carry out the spatial orientation of the unit layer in such a way that the error of the formation is minimal. Experimental studies have been carried out, as a result of which mathematical dependences have been proposed to determine the value of the parameters of a single deposited layer.
Key words: additive technologies, layer-by-layer synthesis, shaping, error.
Grechukhin Aleksandr Nikolaevich, candidate of technical sciences, docent, Agrechnhinamail.ru, Russia, Kursk, Southwest State University,
Kuts Vadim Vasilevich, doctor of technical sciences, professor, kuc-vadimayandex.ru, Russia, Kursk, Southwest State University,
Razumov Michail Sergeevich, candidate of technical sciences, docent, mika 1984 a mail.ru, Russia, Kursk, Southwest State University
