ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОМБИНИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОДА-ИНСТРУМЕНТА ДЛЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ В УСЛОВИЯХ ЕДИНИЧНОГО И ОПЫТНОГО ПРОИЗВОДСТВА Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

DOI 10.25987^Ти.2019.15.5.016 УДК 544.6

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОМБИНИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОДА-ИНСТРУМЕНТА ДЛЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ В УСЛОВИЯХ ЕДИНИЧНОГО И ОПЫТНОГО ПРОИЗВОДСТВА

А.П. Суворов, А.В. Кузовкин

Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия

Аннотация: в данной статье рассматривается проблема проектирования, изготовления и эксплуатации комбинированного электрода-инструмента (ЭИ) в условиях единичного и опытного производства, которая заключается в высоких технологических и экономических затратах на изготовление такого ЭИ сопоставимых, а иногда и превышающих стоимость изготовления детали с применением традиционных процессов резания. Объектами, рассматриваемыми в работе, являются комбинированные электроды-инструменты, проектируемые и изготавливаемые на основе современных цифровых технологий и методов 3Б-печати и применяемые для обработки сложнопрофильных поверхностей в условиях единичного и экспериментального производств. Показано, что сочетание параметрического проектирования на основе цифровых моделей и изготовления методами аддитивных технологий основы комбинированного инструмента с последующим приданием ему токопроводящих свойств позволяет существенно расширить область электрохимической обработки за счет возможности финишной размерной обработки сложнопрофильных поверхностей с высокой степенью кривизны. Экспериментальные исследования показали, что апробированный в условиях единичного и экспериментального производств комбинированный инструмент в дальнейшем может быть изготовлен для нужд серийного производства. Материалы статьи представляют практическую ценность для предприятий машиностроительного комплекса в связи с упрощением процесса изготовления электрода-инструмента для электрических методов обработки и его удешевлением

Ключевые слова: электрод-инструмент, электрохимическая обработка, аддитивные технологии

Введение

Современные изделия машиностроительного комплекса характеризуются наличием деталей, часть из которых в силу различных причин (конструктивные особенности, прочностные и массогабаритные характеристики, показатели эргономики и эстетики) имеют сложную форму рабочих поверхностей [2, 3] .

Получение поверхностей с высокой степенью кривизны традиционными методами формообразования часто вызывает определенные технологические трудности (сложная траектория движения инструмента, необходимость создания специального инструмента и т.п.) или неоправданно высокие материально-экономические затраты (приобретение специализированного оборудования с ЧПУ; разработка конструкции, технологии и изготовление специального режущего, формирующего или иного инструмента и т.д.).

Подобные проблемы возникают не только в связи со сложностью геометрии обрабатываемых поверхностей, но и, как правило, с высокими конструктивными требованиями по точности и качеству поверхностного слоя детали.

Одним из способов решения данной проблемы является применение электрических

© Суворов А.П., Кузовкин А.В., 2019

бесконтактных методов обработки (электрохимическая (ЭХО) и электроэрозионная (ЭЭО) обработки) фасонным электродом-

инструментом (ЭИ). В этом случае сложная геометрия готовой детали обеспечивается за счет применения подобной рабочей поверхности ЭИ, которой, в свою очередь, придаются простейшие поступательное или вращательное движения. Таким образом, снимается вопрос об использовании дорогостоящих исполнительных приводов, обрабатывающих сложную геометрию при традиционной механообработке [1, 2].

Однако, в этом случае, возникает проблема создания собственно рабочей поверхности ЭИ, которая должна иметь сложную геометрию профиля, повторяющую профиль обрабатываемой детали с учетом изменения ее размеров на величину межэлектродного зазора (МЭЗ). Часто технологические и экономические затраты на изготовление такого ЭИ сопоставимы, а иногда и превышают стоимость изготовления детали с применением традиционных процессов резания. В связи с изложенным, возникает проблемное противоречие, которое можно сформулировать следующим образом: существуют и достаточно хорошо изученные методы электрообработки, есть оборудование и апробированные технологические режимы процессов бесконтактного формообразования, однако технологическая сложность изготовле-

ния фасонного ЭИ и их высокая стоимость существенно ограничивают область технологического применения этих процессов в производстве, особенно на этапе опытно-конструкторской проработки пилотных образцов техники.

Решение данной проблемы авторам представляется возможным на основе комплексного подхода:

- необходимо разработать методологию проектирования ЭИ за счет применения современных систем автоматизированного проектирования (САПР), когда рабочая поверхность инструмента формируется как поверхность, подобная профилю обрабатываемой детали с учетом величины МЭЗ, рабочего поступательного/поступательно-вращательного движения ЭИ, толщины токопроводящего покрытия исходя из электрических параметров процесса обработки и т.д. [4];

- предложить, апробировать и дать технологические рекомендации по процессу изготовления ЭИ из нетокопроводящих материалов методами быстрого прототипирования с последующим нанесением токопроводящего слоя, толщина которого гарантировано обеспечивает протекание электрических процессов в МЭЗ и приемлемую стойкость ЭИ [5].

Подобный подход позволяет применить комбинированные ЭИ для электрических методов обработки, характеризующихся широким разнообразием формы рабочей поверхности, адаптированной к геометрии обрабатываемой детали, не ограниченной степенью кривизны, низкой себестоимостью и практической возможностью создания индивидуального инструмента для единичного и опытного производства [6].

Механизм проектирования комбинированного ЭИ на основе построения цифрового прототипа

Все известные схемы изготовления и применения ЭИ для электрических методов обработки базируются на том факте, что ЭИ должен быть выполнен целиком из токопроводящего материала [1, 2]. Это приводит к тому, что при проектировании такого инструмента конструкторы и технологи ограничены в выборе методов обработки такого материала исключительно методами лезвийной или иной механической обработки. Авторами же предлагается использовать комбинированный процесс изготовления инструмента, когда на первоначальном этапе

методами SD-печати создается нетокопроводя-щая основа комбинированного ЭИ, при этом не ограниченная рамками механообработки по степени кривизны и сложности формы, а в дальнейшем производится придание токопро-водящих свойств рабочей поверхности ЭИ за счет металлизации с толщиной покрытия, достаточной для протекания процессов в МЭЗ и обеспечивающей стойкость инструмента на уровне стойкости ЭИ, выполненных из токо-проводящих материалов. Подобный подход возможен при разработке системы параметрического проектирования на основе существующей САПР Autodesk Inventor, которая представляет собой встроенный модуль [7]. Данный модуль позволяет по цифровой модели обрабатываемой детали построить цифровую модель будущего комбинированного ЭИ, размеры которого учитывают не только величину МЭЗ, но и толщину токопроводящего покрытия, рассчитанную исходя из режимов электрообработки с применением данного ЭИ.

Первый этап построения цифровой модели может быть проиллюстрирован рис. 1, который представляет собой уточнение методик проектирования инструмента для электрических методов, описанных в литературе [1, 2]. Авторы рассматривают уточненную методику на примере создания цифровой модели для случая электрохимической обработки.

Рис. 1. Схема для проектирования комбинированного ЭИ

На рис. 1 представлено: 1 - обрабатываемая деталь; 2 - комбинированный инструмент; Lдет - характерный размер детали; LЭИ - характерный размер комбинированного ЭИ; LMoД -характерный размер модели после 3D-печати, но перед нанесением токопроводящего покрытия; ^ок - толщина токопроводящего покрытия

на торцевой части; ^окб - толщина токопрово-дящего покрытия на боковой поверхности ЭИ; S - устоявшийся торцевой межэлектродный промежуток; Sб - боковой межэлектродный промежуток (МЭП) при ЭХО полости. В связи с этим характерный размер модели комбинированного ЭИ, который необходим для осуществления 3D-печати, может быть определен по выражению:

^мод ^дет ^ ^-пок, (1)

В выражении 1 величина Lдет является заданным параметром, - толщина токопрово-дящего покрытия будет определена исходя из электрических параметров обработки. Величина устоявшегося торцевого зазора определяется в соответствии с [1]:

Ч.Е.Х.и

S =

p.vu

(2)

где п - выход по току, который зависит от обрабатываемого материала, плотности тока, скорости электролита и т.д. (конкретные данные приведены в [1, 2]);

е - электрохимический эквивалент обрабатываемого материала;

X - удельная проводимость, электролита; и - рабочее напряжение на электродах; р - плотность материала детали; ии - скорость подачи ЭИ для поддержания S=const.

Толщина токопроводящего покрытия определяется исходя из подводимой электрической мощности, которая в соответствии с рекомендациями [7, 9] определяется в зависимости от электрических и технологических параметров ЭХО.

Современные источники питания электрохимического оборудования обеспечивают плотность технологического тока в диапазоне от 0,4 до 1 А/мм2. Этого достаточно для реализации практически всех технологических схем. Величина постоянного технологического тока 1т в соответствии с рекомендациями [7], определяется по выражению:

Х(У-ДУ)

/ = F

1 п

(3)

где Fo - площадь обрабатываемой поверхности, мм;

Ли - потеря напряжения в МЭП, по данным [78] она составляет ~5В. Учитывая, что для большинства материалов и схем обработки и=10-18 В, выражение (3) принимает вид:

4» = (4)

Также известно [7], что величина технологического тока связана с предельной плотностью тока которая может быть передана

через проводник с определенной площадью поперечного сечения:

-'покр Jnp, (5)

^покр Jn

где ^р. - предельная плотность тока (А/мм2), которая может быть передана через покрытие и зависящая от материала покрытия;

SпoкP. - площадь поперечного сечения (мм2), которая определяется из схем на рис. 1 и 2.

Рис. 2. Схема, иллюстрирующая связь толщины покрытия с линейным размером Lпoк

Исходя из схемы (рис. 2) выражение (5) может быть представлено в виде:

^т ^-пок- ^пок-Упр (6)

Выражая линейную величину Lп0к., согласно расчетной схеме 1 в геометрических величинах обрабатываемой детали ^дет. торц) и бокового зазора Sбoк:

-'пок ^дет.торц ^бок Тогда, исходя из тождественности левых частей выражений (3) и (6) можно записать:

С = Н П

' 'пок ^дет.торц

■^бок^пр (7)

^ "по^—де!.юрц _ боку./пр

Проведя преобразование выражения (7), получим выражение для определения толщины токопроводящего покрытия:

Х(У-ДУ)

h = F

1 ЬППК' 1 п

(8)

^'/пр (^дет.торц ^бок)

Выражение (8) позволяет определять толщины токопроводящего покрытия в зависимости от электрических и технологических параметров ЭХО, геометрию обрабатываемой поверхности и применяемого материала для токо-проводящего покрытия.

Обобщая приведенные выражения, можно сделать вывод о том, что геометрический размер ЭИ для аддитивной печати является функцией геометрического размера детали, скорректированного на величины устоявшегося зазора и толщины покрытия, причем последние являются константами, определяемыми режимами обработки:

^мод /Х-^дет, ^окХ (9)

где S - const, определяемая по [7]; hnoK - определяется по выражению 8. Учитывая вышесказанное, выражение для определения геометрических размеров нетоко-

проводящей основы для SD-печати выражение (1) примет вид:

J -J г г хШ-^Ц) (10)

^мод ^дет! JÎ ГОс., Г, У '

-'дет!

■^'/прС^детд

Предложенные зависимости позволяют реализовать параметризацию основания комбинированного ЭИ, изготовляемого на основе аддитивных технологий (рис. 3).

Использование современных САПР позволяет реализовать твердотельную параметрическую модель, что обеспечивает:

- возможность при проектировании различных форм ЭИ всегда оставаться в пределах рациональной геометрии;

- сокращает сроки проектирования, так как в основе цифрового прототипа ЭИ лежит поверхность обратноэквидистантная обрабатываемой поверхности;

- технология Ilogic осуществляет перераспределение параметров ЭИ с корректировкой толщины токопроводящего покрытия в зависимости от геометрии и величины МЭЗ [10].

Рис. 3. Изготовление токонепроводящего основания ЭИ

Дальнейшее покрытие изготовленного на основе аддитивных технологий основания ЭИ токопроводящим покрытием (рис. 4) позволит реализовать сложнопрофильный ЭИ для единичного и экспериментального производства, отличающийся многообразием сложных форм и дешевизной в изготовлении.

Заключение

Подводя итог, можно отметить, что современные информационные технологии (САПР и аддитивные технологии) являются весьма перспективными для изготовления комбинированных инструментов сложной формы, высокого качества и в кратчайшие сроки для единичного использования в ЭХО.

Литература

1. Волосатов В.А. Справочник по электрохимическим и электрофизическим методам обработки. М.: Машиностроение, 1988. 718 с.

2. Смоленцев В.П. Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов. М.: Высш. шк., 1983. Т. 1. 247 с.

3. Суворов А.П. Современные способы изготовления фасонных инструментов для электрических методов обработки // Вестник Воронежского института высоких технологий. 2018. № 3 (26). С. 25-27.

4. Суворов А.П. Разработка технологии изготовления комбинированного электрод-инструмента методом быстрого прототипирования // Научная опора Воронежской области: сб. тр. победителей конкурса науч.-исслед. работ студентов и аспирантов ВГТУ по приоритетным направлениям развития науки и технологий. Воронеж: Воронежский государственный технический университет, 2017. С. 143-144.

5. Суворов А.П., Кретинин А.В., Кузовкин А.В. Методика изготовления сложнопрофильного электрода-инструмента по технологии быстрого прототипирования // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2015. Т. 11. № 2. С. 11-14.

6. 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 (41). С. 9-15.

7. Suvorov A.P. Design combined electrode-tool for electric methods of processing by means of its parameterization of CAD // Инфографика и информационный дизайн: визуализация данных в науке: материалы Междунар. науч.-практ. конф. Омск, 2017. С. 148-152.

8. Смоленцев В.П., Кузовкин А.В., Поташников М.Г. Проектирование технологической оснастки для электрических методов обработки. Воронеж: ВГТУ, 2006. 149 с.

9. Суворов А.П., Кузовкин А.В. Подсистема "Параметризации электрода-инструмента для электроэрозионной обработки" // Свидетельство о регистрации в государственном информационном фонде ФГАНУ "Центр информационных технологий и систем органов исполнительной власти" № 50201650510 от 15.12.2016.

Рис. 4. Металлизация токонепроводящего основания

Поступила 25.07.2019; принята к публикации 09.10.2019

Информация об авторах

Суворов Александр Петрович - старший преподаватель, кафедра графики, конструирования и информационных технологий в промышленном дизайне, Воронежский государственный технический университет (394026, г. Воронеж, Московский проспект, 14), тел. +7 (905) 049-86-43, е-mail: alex_diz@inbox.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-1482-3572 Кузовкин Алексей Викторович - д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой графики, конструирования и информационных технологий в промышленном дизайне, Воронежский государственный технический университет (394026, г. Воронеж, Московский проспект, 14), тел. +7 (960) 131-41-63, е-mail: akuzovkin@mail.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9536-3928

STUDY OF THE MANUFACTURING PROCESS OF A COMBINED ELECTRODE-TOOL FOR ELECTROCHEMICAL TREATMENT IN CONDITIONS OF SINGLE AND EXPERIMENTAL

PRODUCTION

A.P. Suvorov, A.V. Kuzovkin

Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia

Abstract: this article considers the problem of design, construction and operation of the combined electrode-tool (ET) in single and pilot production, which lies in high technological and economic costs of production of such ET, comparable and sometimes exceeding, the cost of manufacturing the part using traditional cutting processes. The objects considered in this study are combination electrodes-tools, designed and manufactured on the basis of modern digital technologies and 3D printing and used for processing of geometrically-complex surfaces in single and pilot production. It is shown that the combination of parametric design based on digital models and fabrication methods, additive technology framework of the combined tool and subsequently giving it conductive properties significantly expand the scope of electrochemical treatment due to the possibility of finish machining geometrically-complex surfaces with a high degree of curvature. Experimental studies have shown that tested in single and pilot production combination tool may further be made for the needs of mass production. The materials of the article are of practical value to engineering companies in connection with the simplification of the manufacturing process of the electrode-tool for electrical machining methods

Key words: electrode-tool, electrochemical processing, additive technologies

References

1. Volosatov V.A. "Reference book on electrochemical and electrophysical processing methods" ("Spravochnik po el-ektrokhimicheskim i elektrofizicheskim metodam obrabotki"), Moscow, Mashinostoenie, 1988, 718 p.

2. Smolentsev V.P. "Electrophysical and electrochemical methods for processing materials" ("Elektrofizicheskie i el-ektrokhimicheskie metody obrabotki materialov"), Moscow, Vysshaya shkola, 1983, vol. 1, 247 p.

3. Suvorov A.P. "Modern methods of manufacturing shaped tools for electrical processing methods", Bulletin of the Voronezh Institute of High Technologies (Vestnik Voronezhskogo Instituta Vysokikh Tekhnologiy), 2018, no. 3 (26), pp. 25-27.

4. Suvorov A.P. "Development of technology for the manufacture of a combined electrode tool using rapid prototyping", Scientific support of the Voronezh region Collection of works by the winners of the research competition of undergraduate and graduate students at VSTU in priority areas of science and technology (Nauchnaya opora Voronezhskoy oblasti: sb. tr. pobediteley konkursa nauch.-issled. rabot studentov i aspirantov VGTUpoprioritetnym napravleniyam razvitiya nauki i tekhnologiy), 2017, pp. 143-144.

5. Suvorov A.P., Kretinin A.V., Kuzovkin A.V. "Method of manufacturing a complex-profile electrode tool using the technology of rapid prototyping", The Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo Gosudarstvennogo Tekhnicheskogo Universiteta), 2015, vol. 11, no. 2, pp. 11-14.

6. 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. Solov'ev (Vestnik Rybinskoy Gosudarstvennoy Aviatsionnoy Tekhnologicheskoy AkademiiIm. P.A. Solov'yeva), 2017, no. 2 (41), pp. 9-15.

7. Suvorov A.P. "Design combined electrode-tool for electric methods of processing by means of its parameterization of CAD", Infographics and Information Design: Data Visualization in Science: Materials Intern. scientific-practical conf. (Infografika i informatsionnyy dizayn: vizualizatsiya dannykh v nauke: materialy Mezhdunar. nauch.-prakt. konf.), Omsk, 2017, pp. 148-152.

8. Smolentsev V.P., Kuzovkin A.V., Potashnikov M.G. "Designing of technological equipment for electric processing methods" ("Proektirovanie tekhnologicheskoy osnastki dlya elektricheskikh metodov obrabotki"), Voronezh, VSTU, 2006, 149 p.

9. Suvorov A.P., Kuzovkin A.V. "Subsystem "Parameterization of the electrode-tool for EDM processing"" ("Podsistema "Par-ametrizatsii elektroda-instrumenta dlya elektroerozionnoy obrabotki""), Certificate of registration in the state information fund "Center for Information Technologies and Systems of Executive Authorities" No. 50201650510 of December 15, 2016.

Submitted 25.07.2019; revised 09.10.2019 Information about the authors

Aleksandr P. Suvorov, Assistant Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), tel. +7 (905) 049-86-43, е-mail: alex_diz@inbox.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-1482-3572 Aleksey V. Kuzovkin, Dr. Sc. (Technical), Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), tel. +7 (960) 131-41-63, е-mail: akuzovkin@mail.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9536-3928