CC BY
14
УДК 544.6
ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА КОМБИНИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОДА-ИНСТРУМЕНТА ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ, ИЗГОТОВЛЯЕМОГО НА ОСНОВЕ
АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
А.П. Суворов, А.В. Кузовкин Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия
Аннотация: актуальность исследования обоснована необходимостью модернизации технологии проектирования и изготовления электрода-инструмента для электрических методов обработки с целью снижения затрат в условиях опытно-конструкторского и единичного производств. Раскрыты возможности использования современных средств автоматизированного проектирования и технологии быстрого прототипирования для изготовления сложнопрофильно-го инструмента для единичного и опытно-конструкторского производств. В качестве подхода к исследованию данной проблемы используется расчет геометрии профиля рабочей поверхности комбинированного сложнопрофильного электрода-инструмента для электрических методов обработки с учетом его реализации на основе аддитивных технологий из диэлектрических материалов с последующим нанесением токопроводящего покрытия. Представлены методики определения габаритных размеров электрода-инструмента для электрических методов обработки с учетом износа и толщины токопроводящего покрытия при проектировании и изготовлении инструмента с помощью аддитивных технологий и использовании его в опытно-конструкторском и единичном производствах. Материалы статьи представляют практическую ценность для предприятий машиностроительного комплекса, так как позволяют производить изменения технологии проектирования и изготовления электродов-инструментов для электрических методов обработки и использовать современные системы автоматизированного проектирования и аддитивные технологии, что снижает себестоимость и повышает вариативность его применения
Ключевые слова: электрод-инструмент, электрохимическая обработка, аддитивные технологии
Введение
Современное машиностростроительное производство, производство средств транспорта, медицинского оборудования, строительные процессы и т.д. характеризуются активными изменениями, связанным с интегрированием в них генеративных технологий. Последние подразумевают под собой активное использование в проектировании и дизайне цифрового или физического продукта современных информационных технологий [1].
В связи с этим актуальным становится вопрос реализации деталей сложной формы с поверхностями, имеющими класс непрерывности G2 и выше. Такие поверхности могут быть получены исключительно в условиях применения дорогостоящих обрабатывающих пятикоорди-натных станков с ЧПУ. В силу высокой точности и хорошего качества поверхностного слоя, детали, выполненные на таких станках, не нуждаются в финишной обработке, но обладают высокой стоимостью. Как правило, это детали единичного производства, типа элементов пресс-форм, позволяющих в дальнейшем распределить их высокую стоимость на большое количество деталей, выпускаемых в массовом производстве. Кроме того, поверхности класса
© Суворов А.П., Кузовкин А.В., 2018
G2 могут быть получены на основе применения бесконтактных электрических методов обработки (электрохимическая (ЭХО) и электроэрозионная (ЭЭО) обработки) [2]. В этом случае кривизна G2 обеспечивается не сложным движением осевого инструмента (как для случая механообработки на станках с ЧПУ), а простым поступательным или вращательным движением электрода-инструмента (ЭИ). Однако сам ЭИ должен иметь форму рабочей поверхности не только с кривизной G2, но и обратно эквидистантную обрабатываемой поверхности детали.
Методы
Методика расчета геометрии инструмента для случая ЭХО описана в литературе и нашла свое отражение в серийном производстве для случая цельного инструмента, полностью выполненного из токопроводящего материала. Однако для изготовления комбинированного ЭИ на основе аддитивных технологий она нуждается в корректировке и уточнении.
Для решения этой задачи была предложена расчетная схема геометрии комбинированного ЭИ, представленная на рис. 1, на которой 1 -обрабатываемая деталь; 2 - комбинированный инструмент; Ццет - размер детали; LЭИ - размер комбинированного ЭИ; Lмод - размер модели после 3D-печати, но перед нанесением
токопроводящего покрытия; hпок - толщина токопроводящего покрытия на торцевой части; hпокб - толщина токопроводящего покрытия на боковой поверхности ЭИ; S - устоявшийся торцевой межэлектродный промежуток; Sб -боковой МЭП при ЭХО полости.
Как видно из схемы, 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 токопро-водящего покрытия будет определена исходя из электрических параметров обработки. Величина устоявшегося торцевого зазора определяется в соответствии с [3]:
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 [3, 4]); е - электрохимический эквивалент обрабатываемого материала; х -удельная проводимость, электролита; и - рабочее напряжение на электродах; р - плотность материала детали; ии - скорость подачи ЭИ для поддержания S=const.
Рис. 1. Расчетная схема для проектирования комбинированного ЭИ
Толщина токопроводящего покрытия определяется исходя из подводимой электрической мощности, которая в соответствии с рекомендациями [3] определяется для каждого ЭИ индивидуально.
Современные источники питания электрохимического оборудования обеспечивают плотность технологического тока в диапазоне от 0,4 до 1 А/мм2. Этого достаточно для реали-
зации практически всех технологических схем. Величина постоянного технологического тока 1т в соответствии с рекомендациями определяется по выражению:
Х(У-ДУ)
/ = F
1т 1 о
, (3)
где Fo - площадь обрабатываемой поверхности, мм; ди - потеря напряжения в МЭП, по данным [3] они составляют ~5В. Учитывая, что для большинства материалов и схем обработки и=10-18 В, выражение (3) принимает вид:
Х0,7 и
I = F
1т 1 о
(4)
Исходя из чего можем выразить ,
^т- С^ + ^-пок) F0.°S + Л-пок)
0,7 XUF0
^т- w + Лпок) ^ ■ + Лпок)
j , 0,7XUFo п 0,7XUFo ,
/ h —
0,7XUFo = 0,7 XUFpr „
h
= 11пок
h=
пок
. (A-Im)
(1т-А)
(5)
Обобщая приведенные выражения, можно сделать вывод о том, что геометрические размеры комбинированного ЭИ, реализуемого с помощью аддитивной печати, являются функцией геометрического размера детали, скорректированного на величину устоявшегося зазора и толщины покрытия, причем последние являются константами, определяемыми режимами обработки:
^мод /Х-^дет, S, Лпок), (6)
где S - const, определяемая из закона анодного растворения [см]; йп0к - определяется по выражению (5).
Однако для электроэрозионной обработки (ЭЭО) данная методика не пригодна в связи с износом электрода-инструмента в процессе эксплуатации.
Следовательно, расчетная схема для определения параметров геометрии заготовки ЭИ примет вид, представленный на рис. 2, на которой 1 - обрабатываемая деталь; 2 - комбинированный ЭИ; - размер ЭИ с нанесенным покрытием; L^ -размер ЭИ с нанесенным покрытием; L^ - размер модели после SD-печати, но перед нанесением токопроводящего покрытия; hn^ - суммарная толщина токопроводящего покрытия, состоящая из толщины ^оку покрытия, которое удалится за счет электрической
эрозии, и ^ок1 - толщины покрытия, необходимой для обеспечения протекания электрических процессов в МЭЗ; S - устоявшийся торцевой межэлектродный промежуток; Sб - боковой МЭЗ при ЭЭО отверстия/полости.
С учетом схемы, представленной на рис. 2, характерный размер Lмод для реализации 3D модели методами аддитивных технологий определяется по выражению:
^мод ^дет ^ ^-покЕ, (7)
где йпок£ определяется как:
^•покЕ ^-пок/ + ^-поку. (8)
Из литературы [5] известно, что толщина токопроводящего слоя, гарантированно позволяющая реализовывать электрические параметры ЭЭО, должна обеспечивать пропускание суммарной энергии импульсов, участвующих в электроэрозионном процессе:
Ж, = р (9)
где f - частота импульсов, Гц; р - мощность импульсов, определяющаяся по выражению [5]:
Р = ^ср/ср, (10)
где иср - напряжение в МЭЗ, которое находится в диапазоне 0,5^0,75 (напряжения холостого хода); 1ср - ток на электродах, который находится в диапазоне 0,5^0,75 1кз (ток короткого замыкания).
Рис. 2. Расчетная схема для проектирования комбинированного ЭИ с учетом износа токопроводящего материала за счет электрической эрозии
В связи с этим толщина покрытия, необходимого для обеспечения протекания электрических процессов в МЭЗ, может быть определена по формуле:
^пок/ - ^^ЭИ, (11)
где р - удельное сопротивление; L^ - длина электрода-инструмента.
В свою очередь, йпоку величину покрытия, которое удалится за счет электрической эрозии, по данным литературы [3] можно определить по формуле:
frnoKV - tr5(k3+Mn/m+k5lntJ, (12)
где k3 - коэффициент, характеризующий разрушение материала электрода заготовки на единицу вводимой энергии;
k4 - эмпирический коэффициент, характеризующий степень влияния силы тока на износ ЭИ;
k5 - эмпирический коэффициент, характеризующий степень влияния времени импульса на износ ЭИ.
Результаты
Предложенные методики расчета параметров рабочей поверхности ЭИ для электрических методов обработки были реализованы в виде программного средства «Подсистема параметризации электрода-инструмента для электроэрозионной обработки». Данное программное обеспечение было написано на языке VB.NET в программном модуле ilogic, который является удобным и гибким способом контроля параметров при проектировании деталей в системе автоматизированного проектирования Autodesk Inventor. На основе разработанного программного средства был спроектирован и реализован ЭИ для электроэрозионной обработки (рис. 3).
Полученные результаты были подтверждены в экспериментальных условиях:
• осуществлен расчет рабочей поверхности ЭИ;
• спроектирован ЭИ с использованием разработанного программного обеспечения;
• проведены испытания работоспособности комбинированного ЭИ для ЭЭО, которые показали его хорошую стойкость.
Для этого была выбрана обработка труднодоступных участков рабочего колеса турбо-насосного агрегата, производимая при силе тока 4А, скважности 2, частоте 440 кГц и площади обработки 100 мм2. В процессе эксперимента стойкость ЭИ составила более 30 минут, а шероховатость обработанной поверхности соответствовала значению Ra = 1,25 - 0,63 мкм.
Выводы
Полученные результаты представляют интерес для различных отраслей производства. Внесение изменений в технологию проектирования и изготовления электродов-инструментов для электрических методов обработки существенно расширяет область их технологического использования за счет снижения себестоимости и повышения вариативности их применения.
П
Рис. 3. Проектирование и изготовление комбинированного ЭИ: А - разработка цифрового прототипа, Б - создание заготовки ЭИ из токонепроводящих материалов, В - комбинированный ЭИ
Литература
1. 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. С. 9-15.
2. Суворов А.П., Кузовкин А.В. Параметрическое проектирование электрода-инструмента для электрообработки с помощью модуля ilogic // Вестник Брянского государственного технического университета. 2017. № 3. С. 105-109.
3. Смоленцев В.П. Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов. В 2 т. М.: Высш. шк., 1983. 247 с.
4. Волосатов В.А. Справочник по электрохимическим и электрофизическим методам обработки. М.: Машиностроение, 1988. 718 с.
5. Немилов Е.Ф. Справочник по электроэрозионной обработке материалов. Л.: Машиностроение, 1989.
6. Суворов А.П. Использование современных информационных технологий при разработке сложнопрофильного электрода-инструмента // Моделирование, оптимизация и информационные технологии. 2017. № 4. С. 11.
7. Суворов А.П., Кретинин А.В., Кузовкин А.В. Методика изготовления сложнопрофильного электрода-инструмента по технологии быстрого прототипирования // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2015. № 2. С. 11-14.
8. 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.
9. Смоленцев В.П., Кузовкин А.В., Поташников М.Г. Проектирование технологической оснастки для электрических методов обработки. Воронеж: ВГТУ, 2006. 149 с.
Поступила 03.09.2018; принята к публикации 13.11.2018 Информация об авторах
Суворов Александр Петрович - старший преподаватель, кафедра графики, конструирования и информационных технологий в промышленном дизайне, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), тел. +7 (905) 049-86-43, е-таП: alex_diz@inbox.ru, ORCЮ: 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, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), тел. +7 (960) 131-41-63, е-тай: akuzovkin@mail.ru, ORCЮ: https://orcid. org/0000-0001-9536-3928
FEATURES OF CALCULATION OF A COMBINED ELECTRODE-TOOL FOR ELECTRICAL METHODS FOR TREATMENT MANUFACTURED BASED ON ADDITIVE TECHNOLOGIES
A.P. Suvorov A.V. Kuzovkin
Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia
Abstract: the relevance of the research is justified by the need to modernize the technology of designing and manufacturing an electrode tool for electrical processing methods in order to reduce costs in the conditions of experimental design and individual production. In this regard, the article is aimed at disclosing the possibilities of using modern computer-aided design tools and rapid prototyping technology for the manufacture of a complex profile tool for a single and pilot production. As an approach to the study of this problem, the geometry of the profile of the working surface of the combined complex-profile electrode-tool for electrical processing methods is used, taking into account its implementation based on additive technologies made of dielectric materials with subsequent application of a conductive coating. The article presents the methods for calculating the geometry of electrode tools, both for electrochemical and electroerosive processing methods, which are produced on the basis of additive technologies from dielectric materials with the subsequent application of a conductive coating, which served as the basis for identifying the basic laws governing the determination of the thickness of the conductive coating, which directly depends on the modes of use of the electrode tool. The materials of the article are of practical value for the enterprises of the machine-building complex in connection with the modernization of the manufacturing process of the electrode-tool for electrical processing methods, reducing its cost and increasing the variability of its manufacture
Key words: electrode-tool, electrochemical processing, additive technologies
References
1. Suvorov A.P., Kuzovkin A.V. "Use of additive technologies in the production of shaped surfaces", Bulletin ofP.A. Solov'yev Rybinsk State Aviation Technological University (Vestnik Rybinskoy gosudarstvennoy aviatsionnoy tekhnologicheskoy universiteta im. P.A. Solov'yeva), 2017, no. 2, pp. 9-15.
2. Suvorov A.P., Kuzovkin A.V. "Parametric design of an electrode-tool for electrical processing using the ilogic module", Bulletin of Bryansk State Technical University (Vestnik Bryanskogo gosudarstvennoy tekhnicheskogo universiteta), 2017, no. 3, pp. 105-109.
3. Smolentsev, V.P. "Electrophysical and electrochemical methods for processing materials" ("Elektrofizicheskie i el-ektrokhimicheskie metody obrabotki materialov"), Moscow, Vysshaya shkola, 1983, 247 p.
4. Volosatov V.A. "Reference book for electrochemical and electrophysical processing methods" ("Spravochnik po el-ektrokhimicheskim i elektrofizicheskim metodam obrabotki"), Moscow, Mashinostroenie, 1988, 718 p.
5. Nemilov E.F. "Reference book for electrical discharge machining of materials" ("Spravochnik po elektroerozionnoy obrabotke materialov"), Leningrad, Mashinostroenie, 1989.
6. Suvorov A.P. "Use of modern information technologies in the development of a complex electrode tool", Modeling, Optimization and Information Technologies (Modelirovanie, optimizatsiya i informatsionnye tekhnologii), 2017, no. 4, p. 11.
7. Suvorov A.P., Kretinin A.V., Kuzovkin A.V. "Method of manufacturing a complex-profile electrode tool using rapid prototyping technology", ^e Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta), 2015, no. 2, pp. 11-14.
8. Suvorov A.P. "Design combined electrode-tool for electric methods of processing by means of its parameterization of CAD", Proc. of the Intern. scientific-practical conf.: Infographics and information design: data visualization in science (Infografika i informatsionnyy dizayn: vizualizatsiya dannykh v nauke: materialy Mezhdunar. nauch.-prakt. konf), Omsk, 2017, pp. 148-152.
9. Smolentsev V.P., Kuzovkin A.V., Potashnikov M.G. "Designing machining attachments for electrical processing methods" ("Proektirovanie tekhnologicheskoy osnastki dlya elektricheskikh metodov obrabotki"), Voronezh, VSTU, 2006,149 p.
Submitted 03.09.2018; revised 13.11.2018
Information about the authors
Aleksandr P. Suvorov, Assistant Professor, Voronezh State Technical University, (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh, 394026, Russia), ORCID: 0000-0002-1482-3572
Aleksey V. Kuzovkin, Dr. Sc. (Technical), Professor, Voronezh State Technical University, (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh, 394026, Russia), ORCID: 0000 -0001-9536-3928
