CC BY
30
УДК 621
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-10-452-455
ПРИМЕНЕНИЕ АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В ИНСТРУМЕНТАЛЬНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ
А.О. Чечуга
В работе рассмотрены основные проблемы отечественного инструментального производства. Проанализированы возможности внедрения аддитивных технологий в уже существующие производственные процессы. Приведены примеры порошковых металлов, использующихся для производства инструмента аддитивным методом, а также их достоинства и недостатки. Описаны основные этапа изготовления инструмента на 3Б-принтере технологией лазерного спекания.
Ключевые слова: аддитивный метод, 3Б-принтер, быстрорежущая сталь, карбидосталь.
Инструментальное производство подразумевает под собой использование высокоточного оборудования, набор сложных и строгих в исполнении операций, а также постобработку получаемых изделий. Данный процесс требует высокой квалификации инженеров и рабочих, задействованных в разработке и производстве инструмента.
Основными сдерживающими факторами развития данной отрасли в нашей стране являются:
1. Недостаток высококвалифицированных кадров в данной области;
2. Отсутствие современного оборудования, способного производить инструмент, отвечающий сегодняшним требованиям и задачам;
3. Недостаток полноценных исследований в этой области;
4. Отставание уровня отечественной научной школы инструментального производства от общемировой;
5. Экономическая составляющая, рентабельность вложений.
С развитием технологий требования к качеству готовой продукции увеличиваются ежегодно, поэтому производители вынуждены разрабатывать как новые типы инструментов, так и способы их производства. Основная проблема формообразования режущего инструмента заключается в возможностях производственного оборудования и выбранного типа материала [1].
Для решения данных проблем можно рассмотреть изготовление режущего инструмента методом аддитивных технологий. Поскольку данный метод обладает широкими производственными возможностями, гибкостью в выполнении задач, хорошей степенью интеграции и адаптации в уже имеющиеся производственные процессы, его применение расширит технологические возможности отечественных предприятий [2].
Режущий инструмент представляет собой изделие сложной формы с наличием на нем канавок, изгибов и других геометрических элементов. Изготовление подобной продукции с помощью механической обработки подразумевает сложный технологический процесс с использованием разнообразного дорогостоящего оборудования, а также инструментов, способных добиться необходимой формы и точности поверхности [3]. Аддитивные технологии позволят упростить этот процесс и уменьшить время производства изделия. Основное отличие от методов классического машиностроения заключается в работе не с заготовкой, а с 3D-моделью, представляющей собой конечное изделие, что позволяет производить продукцию любых типов и форм, имея ограничение только по размерности изделий, обусловленное размерами самого оборудования [4].
Также, преимуществом данного подхода является то, что на одном 3D-принтере можно производить различные виды инструментов без необходимости переналадки или изменения конструктивных особенностей оборудования [5]. За один заход можно напечатать несколько инструментов одновременно, вне зависимости от типа или вида инструмента, если размер рабочего стола принтера позволяет разместить их.
Материалом для данного типа производства будет служить металлический порошок выбранной марки. В зависимости от поставленных задач, можно применять порошки различной формы и размера частиц, а также состава сплава. С каждым годом номенклатура доступных в продаже наименований увеличивается, поэтому проблем с отсутствием необходимого производственного материала не возникнет.
Порошок быстрорежущих сталей имеет круглые частицы диаметром менее 600 мкм. Благодаря порошковой форме главный недостаток быстрорежущих сталей - неравномерное распределение карбидов в структуре материала - отсутствует. Это происходит за счет равномерного распределения частиц при спекании, что, в свою очередь, и устраняет ситуации карбидной ликвации, а также увеличивает износостойкость готового изделия в 2-3 раза. Температура спекания частиц быстрорежущей стали составляет от 1200 °С до 1240°С в зависимости от содержания углерода в составе [6].
Изделия, созданные из порошка карбидосталей, обладают высокими показателями износостойкости и твердости. Они представляют собой структуру из легированной стальной матрицы и карбидов с массовой долей от 20% до 70%. Материалами матрицы могут являться инструментальные, конструкци-
Технология машиностроения
онные или нержавеющие стали, в зависимости от назначения изготавливаемого изделия. Достоинствами данного материала являются: низкий коэффициент трения поверхности изделия, высокая твердость при нагреве, устойчивость к адгезии, а также стабильность размера изделия при термообработке [7]. Стоит отметить, что инструмент из карбидостали легче аналогичного из инструментальной на 12%, а из твердого сплава на 50%.
Рис. 1. Упрощенная схема работы 3Б-принтера по технологии
Рис. 2. Структура карбидостали
Изготовление многогранных режущих пластин наиболее перспективный вариант применения аддитивных технологий в инструментальном производстве. Современные режущие пластины обладают сложной структурой поверхности для отвода и дробления стружки, а также различными углами и режущими кромками [8]. Аддитивные технологий позволяют расширить возможности исполнения геометрии пластин, что позволит увеличить их производительность и срок службы.
Процесс изготовление режущего инструмента методом аддитивных технологий будет состоять из следующих этапов:
1. Проектирование режущего инструмента. Создание 3D-модели необходимого изделия, с учетом микрогеометрии его поверхности, а так главных и вспомогательных углов. Готовую модель следует загрузить в программное обеспечение, работающее с принтером. После этого следует задать настройки процесса печати, основываясь на типе выбранного материала, а также требуемых от изделия физико-механических свойств.
2. Запуск процесса печати. Процесс должен происходить в строгих контролируемых условиях: необходимо обеспечить герметичность рабочего пространства 3D-принтера, печать следует производить в среде инертного газа, а температуры среды печати должна быть постоянной. Сам процесс до его завершения прерывать не следует, во избежание брака или неоднородности получаемого изделия.
3. Процесс печати. Время изготовления варьируется от нескольких до десяти часов, в зависимости от сложности, заданных настроек печати, а также количества одновременно производимых изделий. После завершение процесса печати следует дать изделию остыть, прежде чем вынимать его из герметичной камеры, в противном случае возникает риск образования раковин, неровностей, неоднородности структуры, окислов или других видов брака.
4. Термообработка. После остывание изделие следует отправить на термическую обработку, чтобы добиться максимальной однородности структуры изделия, а также получить необходимые физико-механические и физико-мимические свойства. Для этого обычно используют процессы отжига, закалки и отпуска с температурой нагрева ниже, чем у не порошковых изделий.
5. Постобработка. После термообработки следует провести дополнительную обработку поверхности изделия, для достижения нужной степени шероховатости.
Стоит добавить, что одним из главных преимуществ аддитивного метода является возможность быстрой переквалификации рабочих. Обучение работе на 3D-принтере занимает значительно меньшее время, чем обучение работе со станками классического машиностроения. Таким образом, недостатка в квалифицированных кадрах при работе с аддитивными технологиями у предприятий не возникнет.
Аддитивные технологии имеют потенциал заменить уже существующий подход к инструментальному производству, расширив возможности предприятий к изготовлению новых инструментов, оптимизации уже существующих производственных процессов, а также снизить экономические издержки, ввиду практической безотходности и гибкости данного типа производства.
Список литературы
1. Хлудов С.Я., Борискин О.И., Зябрев С.В., Нуждин А.В. К вопросу о проектировании прогрессивных конструкций многофункциональных сменных многогранных пластин / Фундаментальные проблемы техники и технологии. Орел, Изд-во ФГБОУ-ВПО Госуниверситет - УНПК, 2012 март-апрель., № 2-6 (292). С. 13-19.
2. Валетов В.А. Аддитивные технологии (состояние и перспективы). Учебное пособие. СПб.: Университет ИТМО, 2015. 63 с.
3. Вальтер А.В. Послойный синтез армированных объёмных изделий // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2011. Т.2. №12.
4. Каблов Е.Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года //Авиационные материалы и технологии. 2012. №5. С. 7-17.
5. Автоматизация производственных процессов в машиностроении: Учеб. для ВТУЗов / Н.М. Капустин, П.М. Кузнецов, А.Г. Схиртладзе и др. Под ред. Н.М. Капустина. М.: Высшая школа, 2004. 415 с.
6. Гиршов В.Л., Котов А.А., Цеменко В.Н. Современные технологии в порошковой металлургии: учеб. пособие. СПб.: Изд-во Политехн. Ун-та, 2010. 385 с.
7. Чечуга А.О Использование металлических порошков в аддитивном производстве // Известия ТулГУ Технические науки, Выпуск №12.Тула, 2021. С. 457-459.
8. Хлудов А.С. Универсальные сменные многогранные пластины прогрессивных конструкций для токарной обработки // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2016. Вып. 8. Ч. 1. С. 328-334.
Чечуга Антон Олегович, магистр, chechugaanton@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
APPLICATION OF ADDITIVE TECHNOLOGIES IN TOOL MANUFACTURING
A.O. Chechuga
The paper considers the main problems of domestic tool production. The possibilities of introducing additive technologies into existing production processes are analyzed. Examples of powder metals used for the production of tools by the additive method, as well as their advantages and disadvantages, are given. The main stages of tool manufacturing on a 3D printer using laser sintering technology are described.
Key words: additive method, 3D printer, high-speed steel, carbide steel.
Chechuga Anton Olegovich, master, chechugaanton@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
