CC BY
0УДК 621.941.025.1 Хлыстов Е. О., Исаев А.В.
Хлыстов Е.О.
аспирант 1-го года обучения, ассистент кафедры инструментальной техники и технологии формообразования Московский государственный технологический университет «Станкин»
(г. Москва, Россия)
Исаев А.В.
кандидат технических наук, доцент кафедры инструментальной техники и технологии формообразования Московский государственный технологический университет «Станкин»
(г. Москва, Россия)
ПРИМЕНЕНИЕ АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В ИНСТРУМЕНТАЛЬНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ
Аннотация: статья посвящена нетрадиционному способу изготовления корпусов сборных режущих инструментов. Рассматриваются различные варианты аддитивных технологий и применяемых материалов для печати. В процессе создания державки токарного резца использовались CAD-моделирование и конечно-элементный анализ для оптимизации конструкции и массы изделия. Проведены натурные эксперименты подтверждающие, что характеристики державки, изготовленной аддитивным методом, соответствуют характеристикам традиционно изготовленных инструментов.
Ключевые слова: аддитивные технологии, печать металлами, инструменты, сборные токарные резцы, державки сборных резцов, генеративный дизайн.
Аддитивные технологии, также известные как ЭЭ-печать, представляют собой инновационный подход к производству, основанный на послойном создании объектов. В последние годы аддитивные технологии стали особенно популярны в различных отраслях промышленности, включая инструментальное
1759
производство. Эти технологии открывают новые возможности для создания инструментов сложной геометрии с высокой точностью и необходимыми эксплуатационными характеристиками.
Аддитивные технологии включают в себя множество различных методов, таких как стереолитография (SLA и STL от англ. Stereolithography), селективное лазерное спекание (SLS - Selective laser sintering), селективное лазерное плавление (SLM - Selective laser melting), электронно-лучевое плавление (EBM - Electron-beam melting), а также метод наплавления (FDM - Fused deposition modeling) [1]. Все эти методы объединяет общая концепция послойного добавления материала, что позволяет создавать объекты сложной формы с внутренними полостями, затрачивая минимальное количество материала.
Для аддитивного производства используются разнообразные материалы, включая пластики, металлы, керамику и композитные материалы. В инструментальном производстве особенно актуальны металлические порошки, такие как сталь, титан и алюминий, которые обеспечивают высокую прочность и долговечность готовых изделий.
Аддитивные технологии ускоряют и упрощают процесс создания специализированной оснастки, инструментов и приспособлений. Это особенно важно для мелкосерийного и единичного производства, где гибкость и скорость выполнения заказов имеют решающее значение. Аддитивные технологии позволяют создавать режущие инструменты с уникальными конструкциями, которые невозможно получить традиционными методами. Например, можно интегрировать сложные системы охлаждения прямо в структуру режущего инструмента, что значительно повышает его производительность и срок службы. Другим примером являются специализированные конструкции корпусов токарных резцов под несколько режущих элементов, расположенных нестандартным способом.
Послойное добавление материала позволяет значительно уменьшить количество отходов по сравнению с традиционными методами обработки,
1760
такими как фрезерование, шлифование и токарная обработка. Это делает аддитивные технологии более экологически устойчивыми.
В рамках данной работы с помощью аддитивных технологий была изготовлена державка для проходного токарного резца [2]. Процесс создания готового изделия начинается с моделирования в СЛО-системе и включает несколько ключевых этапов, начиная от получения модели стандар тного типа под механическую обработку и заканчивая оптимизированной по весу и форме для печати (рисунок 1).
Державка имеет следующую геометрию:
• Угол в плане 95
• Сечение державки 25х25 мм,
• Устанавливаемая СМП - ромбическая с углом при вершине 80°.
а, б
Рисунок 1. СЛО-модели державок: а - традиционной, б - печатной.
Оптимизация модели заключается в проведении конечно-элементного анализа Метод основан на разбиении анализируемого объекта на конечное количество более простых элементов, таких как тетраэдры, каждый из которых описывается математической моделью, исследуемой с помощью алгоритмов численного анализа. Подготовка расчетной модели начинается с назначения геометрии, которая не подлежит удалению: пазы под пластину, плоскости под закрепление державки в резцедержателе. Затем задается поле, в пределах которого идет процесс расчета. После назначаются нагрузки: сила резания,
1761
распределенная на паз под пластину и сила зажатия в резцедержателе (рисунок 2). Назначаются материалы и способ изготовления полученной геометрии. В процессе расчета ненагруженные или малонагруженные элементы удаляются из модели.
Рисунок 2. Создание расчетной модели державки токарного резца.
В качестве материала для печати прототипа державки выбран порошок аустенитной нержавеющей стали Л1Ш 316. При выходе с печати державка имеет твердость в 45 ИКС, соизмеримую с твердостью державки, полученной традиционным методом [3].
Для проверки работоспособности конструкции державки проведены натурные эксперименты. За эталонные результаты взяты показатели после точения режущей пластиной, установленной на державке, изготовленной по традиционной технологии. В качестве обрабатываемого материала выбрана подготовленная болванка из стали 30ХГСА.
Режимы резания при испытаниях [4]:
• Диаметр обработки 148 мм,
• Длина обработки 280 мм,
• Скорость резания - 250 м/мин,
- 1762 -
• Подача на оборот - 0,3 мм/об,
• Глубина резания на радиус - 1,5 мм.
Результаты полученные в процессе резания представлены в таблице 1. Таблица 1. Показатели результата токарной обработки.
Испытываемая державка Шероховатость поверхности Яа, мкм Точность размеров, мм
Традиционная 3,1 0,01
Печатная 3,2 0,01
Проведенные исследования показывают, что аддитивные технологии открывают новые возможности в инструментальном производстве благодаря способности создавать объекты сложной геометрии с высокой точностью. Различные методы, в том числе селективное лазерное спекание, позволяют эффективно использовать материалы, включая металлические порошки, что снижает количество отходов и делает процесс более экологически устойчивым. Оптимизация инструментов с помощью СЛО-моделирования и конечно-элементного анализа улучшает их форму и массогабаритные характеристики. Проведенные эксперименты подтвердили, что характеристики токарной державки, изготовленной из порошка, стали Л181 316 аддитивным методом, соответствуют традиционным аналогам, демонстрируя высокую прочность и жесткость.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Тарасова, Т.В. Аддитивное производство: учебное пособие / Т.В. Тарасова. — Москва: ИНФРА-М, 2024. - 196 с;
2. Баранчиков В.И. Справочник конструктора-инструментальщика.-М.: Машиностроение, 1994. - 558 с;
1763
3. Хает Г.Л. Сборный твердосплавный инструмент.-М.: Машиностроение, 1989.253 с;
4. Гузеев В.И. Режимы резания для токарных и сверлильно-фрезерно-расточных станков с ЧПУ.-М: Машиностроение, 2007. - 366 с
Khlystov E. O., Isaev A. V.
Khlystov E.O.
Moscow State Technological University "Stankin" (Moscow, Russia)
Isaev A.V.
Moscow State Technological University "Stankin" (Moscow, Russia)
APPLICATION OF ADDITIVE TECHNOLOGIES IN TOOL PRODUCTION
Abstract: the article is devoted to an unconventional method of manufacturing prefabricated cutting tool bodies. Various options for additive technologies and printing materials used are considered. The process of creating the turning tool holder used CAD modeling and finite element analysis to optimize the design and weight of the product. Full-scale experiments were carried out confirming that the characteristics of the holder manufactured by the additive method correspond to the characteristics of traditionally manufactured tools.
Keywords: additive technologies, metal printing, tools, prefabricated turning tools, prefabricated tool holders, generative design.
1764
