Проектирование комбинированного инструмента для обработки сложнопрофильных поверхностей Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.396

DOI: 10.12737/article_58f9c4da3 a9653.72695813

А.П. Суворов, А.В. Кузовкин

ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОМБИНИРОВАННОГО ИНСТРУМЕНТА ДЛЯ ОБРАБОТКИ СЛОЖНОПРОФИЛЬНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

В статье описаны возможности применения современных САПР для разработки конструкции инструмента для машиностроительного производства на примере проектирования и изготовления комбинированного электрода-инструмента для

электроэрозионной обработки.

Ключевые слова: цифровой прототип, комбинированный электрод-инструмент, электроэрозионная обработка, криволинейная поверхность.

Л.Р. Suvorov, Л^. Kuzovkin

DESIGNING OF A COMBINED TOOL FOR COMPLEX SURFACE MACHINING

The paper is devoted to opportunities of using up-to-date CAD programs for the development of a tool design for machine-building manufacturing based on designing and manufacturing of a combined tool-

Конструктивно современные изделия машиностроительного комплекса включают в себя большое количество деталей (до нескольких десятков тысяч в одном готовом изделии), часть из которых в силу различных причин (конструктивные особенности, прочностные и массогабаритные характеристики, показатели эргономики и эстетики) имеют сложную криволинейную форму рабочих поверхностей. В качестве примера можно привести рабочие колеса и замковые части лопаток турбонасосных агрегатов (ТНА), элементы лопастных машин и насосов, рабочие полости пресс-форм и штампов и т.п. Критерием их оценки, следует считать гладкость кривой, которая традиционно получила обозначение G [1], за которой следует число:

- Непрерывность G0 (точка) означает, что конечные точки соприкасаются. Переход между двумя ребрами или поверхностями является заметным. Это может быть резкий или постепенный переход. Следующий рисунок показывает анализ Зебра для соприкосновения типа G0 между двумя поверхностями. Поверхности соприкасаются, однако полосы не выстраиваются в линии (рис. 1, а).

- Непрерывность G1 (касательная) -плавный переход между кривыми. Две кривые или поверхности движутся в одном направлении в месте соединения, но коэф-

electrode for electrical discharge machining.

Key words: digital prototyping, combined tool-electrode, electrical discharge machining, curved surface.

фициент изменения кривизны (скорость) является заметным. Следующий рисунок показывает анализ Зебра для соприкосновения типа G1 между двумя поверхностями. Две поверхности сопрягаются по касательной. Границы полос выстраиваются в линии, однако между ними образуется острый угол (рис. 1, б).

- Непрерывность G2 (кривизна) -очень плавный переход между кривыми. Две кривые совпадают в конечных точках, являются касательными и имеют одинаковую "скорость" (кривизну) при соединении. Следующий рисунок показывает анализ Зебра для соприкосновения типа G2 между двумя поверхностями. Между двумя поверхностями наблюдается гладкое сопряжение (тип G2). Границы полос выстраиваются в линии, а между поверхностями имеется плавный переход (рисунок 1, в).

Для получения таких сложнопро фильных поверхностей в современном машиностроении используются разные технологии изготовления деталей, основными из которых являются (рис. 2) следующие [2].

Фрезерная обработка на станках с ЧПУ, которая благодаря автоматическому управлению позволяет перемещать инструмент в рабочей зоне станка по любой траектории. При этом обеспечивается воз-

можность при одном закреплении заготовки на станке обработать максимальное количество поверхностей. Взаимное перемещение и рабочее движение инструмента и рабочего стола определяют фрезерование плоскостей и криволинейных

поверхностей, включая отверстия и наружные цилиндрические поверхности; сверление, зенкерование и развертывание отверстий; растачивание точных отверстий; точение наружных цилиндрических поверхностей.

1. ББ Точка 2.С31 Касательная 3. Кривизна

а) б) в)

Рис. 1. Виды непрерывности поверхности

Литье - как технологический процесс изготовления заготовок (реже — готовых деталей), заключающийся в заполнении предварительно изготовленной литейной формы жидким материалом (металлом, сплавом, пластмассой и т. п.) с последующим его затвердеванием.

Ковка и штамповка как наиболее распространенные способы получения металлических изделий. Штамповка делится на два основных вида в зависимости от температуры обработки металла - горячая объемная штамповка и холодная штамповка листового металла и заготовок из прутков. Использование этих методов позволяет деформировать заготовку с целью придания ей необходимой формы. В процессе ковки деформирование производится с использованием бойков, представляющих собой универсальный подкладной инструмент. В силу разнообразия их формы и возвратно-поступательных технологических движений необходимая форма и размеры придаются заготовке постепенно и становятся результатом многократного и непрерывного воздействия на нее

инструмента. При объемной штамповке необходимая форма и размеры заготовке придаются при помощи штампа. В итоге деталь имеет форму, соответствующую форме полости штампа. При высокой производительности метода ему характерен существенный недостаток - высокая стоимость и трудоемкость изготовления штампов.

Генеративные технологии, к которым относят селективное лазерное спекание (SLS). Это технология аддитивного производства, используемая для производства небольшого объема продукции или прототипов. Генеративные технологии позволяют в настоящий момент получать детали с максимальной твердостью лишь 42 HRC. Поэтому для достижения их более высокой твердости необходима дополнительная физико-химическая или термообработка

Электрофизические и электрохимические методы обработки - это общее название методов обработки конструкционных материалов непосредственно электрическим током, электролизом и их сочетанием с механическим воздействием.

Рис. 2. Технологии изготовления сложнопрофильных деталей

Наиболее перспективным технологическим способом получения деталей со сложнопрофильными поверхностями с кривизной высокого порядка являются электрические методы обработки, реализующие процесс с использованием электродов-инструментов, геометрия которых должна быть обратно эквидистантна обрабатываемой поверхности.

Электрическая обработка включает в себя электроэрозионные, электрохимические, комбинированные электроэрозионно-химические и электромеханические способы обработки (рис. 3) [1, 2].

Эти методы позволяют получать детали любой кривизны без непосредственного контакта между инструментом и обрабатываемой поверхностью, которые можно вывести в отдельную группу, обозначив для нее характерные признаки.

В настоящей работе приведены результаты по разработке метода проектирования и технологии изготовления комбинированного инструмента (ЭИ) для электроэрозионной обработки (ЭЭО). При традиционной ЭЭО в качестве инструмента используют электрод, изготовленный из меди, латуни, бронзы, алюминия и некоторых других токопроводящих материалов. Он имеет форму, соответствующую форме поверхности детали после обработки. К основным требованиям, которые предъявляются к ЭИ, относятся высокая электроэрозионная стойкость, конструкция ЭИ должна быть жесткой (суммарная деформация не должна превышать 0,3 % допуска на основные размеры обрабатываемого изделия), ЭИ должен быть технологичным, а стоимость его изготовления должна быть ниже стоимости основного изделия (штампа, пресс-формы и т. д.) не менее, чем в три раза.

Анализ имеющихся публикаций [3, 4]

показал, что в настоящее время одной из перспективных технологий создания электрода-инструмента для электроэрозионной обработки является использование технологии послойного синтеза или аддитивные технологии (AF - Additive Manufacturing). К ним относят способы построения моделей путем добавления материала (от англ. Add - "добавлять") в отличие от традиционных технологий, где создание детали осуществляется путем удаление материала. Применение аддитивных технологий в различные отраслях машиностроительного производства позволяет:

- осуществлять изготовление сложных деталей без использования дополнительной механической обработки и дорогостоящей оснастки;

- обеспечить повышение рентабельности производства наукоемких и технически сложных изделий;

- устранить «человеческий» фактор при изготовлении детали;

- осуществить снижение веса деталей за счет уменьшения толщины стенок и процента заполнения внутреннего объема детали;

- исключить в деталях литейных дефектов и напряжений;

- осуществлять управление физико-механическими свойствами изделия.

Использование аддитивных технологий дает возможность послойного создания сложнопрофильного комбинированного ЭИ на основе математической модели с учетом коррекции его контура на величину межэлектродного зазора и величину токо-проводящего покрытия. Эти условия достигаются за счет динамичного изменения профиля инструмента в процессе проектирования по цифровой модели детали в реальном масштабе времени (рис. 4)

Рис. 3. Электрические методы обработки поверхностей

Предлагаемый подход к проектированию и изготовлению комбинированного ЭИ реализован на основе системы автоматизированного проектирования (САПР) компании Autodesk Inventor. В качестве

эффективного метода контроля и коррекции параметров при проектировании является модуль iLogic, встроенный в качестве дополнительного инструмента в Autodesk Inventor. Данный модуль позволяет созда-

вать собственные подсистемы САПР на языке VB.NET. С применением данного языка программирования авторами была разработана методика параметризации комбинированного ЭИ для ЭЭО с учетом теоретических положений электрических методов обработки по расчету МЭЗ и тол-

щины токопроводящего покрытия. Эта методика в виде подсистемы параметризации электрода-инструмента для электроэрозионной обработки [5] была апробирована (рис. 5) для создания ЭИ, используемых в финишной обработке рабочих колес тур-бонасосных агрегатов.

Рис. 4. Этапы проектирования и изготовления комбинированного ЭИ: А - разработка цифрового прототипа, Б - создание заготовки ЭИ из токонепроводящих материалов,

В - комбинированный ЭИ

Рис 5. - Проектирование ЭИ средства САПР 20

На основе подсистемы была разработана аддитивная технология изготовления комбинированного ЭИ для электроэрозионной обработки с учетом сдвига контура на величину межэлектродного зазора, динамики изменения профиля инструмента за счет износа в реальном масштабе времени в зависимости от выбранного технологического режима. Ее алгоритм которой представлен на рис. 6.

В экспериментальных условиях была проведена проверка работоспособности комбинированного ЭИ (рис. 4 В) при ЭЭО труднодоступных участков рабочих колес турбонасосных агрегатов при следующих

режимах: сила тока 4 А, частота 440 кГц, скважность 2, площадь обработки 100 мм2. При этом стойкость инструмента составила более 30 минут, а шероховатость обработанной поверхности соответствовала значению Rz = 1,25 - 0,63 мкм.

Полученные результаты позволяют сделать вывод о корректности разработанной подсистемы и технологии изготовления комбинированного ЭИ. В целом, по мнению авторов, методика может быть рекомендована к использованию в условиях опытного и единичного производства сложнопрофильных деталей.

Рис. 6. Алгоритм параметризации ЭИ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Сабитов, И.Х. О внешней кривизне и внешнем строении G-гладких нормальных развертывающихся поверхностей // Математические заметки. Математический институт им. В.А. Стеклова РАН.

- 2010. - Т 87. - № 6. - С. 900 - 906.

2. Прогрессивные машиностроительные технологии, оборудование и инструменты / В.Ф. Безъязычный, В.Г. Грицюк, А.В. Киричек, В.П. Смоленцев и др.

- Коллективная монография / Под редакцией А.В. Киричека. - М.: Издательский дом «Спектр», 2014.

- 416 с.

3. Киричек, А.В. Наукоёмкие технологии упрочнения инструмента / А.С. Верещака, С.Н. Григорьев, В.А. Ким, Б.Я. Мокрицкий, В.В. Алтухова, Киричек А.В. // Наукоемкие технологии в машиностроении.

- 2013. - № 6 (24). - С. 19-24.

4. Суворов, А.П. Разработка технологии изготовления фасонного инструмента на основе быстрого прото-типирования. / А.В. Кузовкин, А.П. Суворов // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2014. - Том 10. - № 1. - С. 3537.

5. Суворов, А.П. Подсистема параметризации электрода-инструмента для электроэрозионной обработки / А.В. Кузовкин, А.П. Суворов // Свидетельство о регистрации программного продукта 50201650510 - ВНТИЦ, №0114/0-162, 2016.

1. Sabitov, I.H. On external curvature and structure of G-smooth normal ruled surfaces // Mathematical notes. Mathematical Institute named after V.A. Steklov of RAS. - 2010. - Vol. 87. - № 6. - P. 900 - 906.

2. Modern engineering techniques, equipment and toolware / V.F. Bezjyazychny, V.G. Gritsyuk, A.V. Kiri-chek, V.P. Smolentsev, etc. - Collective Monograph / Under the editorship of A.V. Kirichek. - M.: Publishing House «Spektr», 2014. - 416 p.

3. Kirichek, A.V. Science intensive technologies of tool hardening /A.S. Vereshchaka, S.N. Grigoriev, V.A. Kim, B.Ya. Mokritsky, V.V. Altukhova, Kirichek A.V. // Science intensive technologies in mechanical engineering. - 2013. - № 6(24). - P. 19-24.

4. Suvorov, A.P. Design of manufacturing of shaped tools based on rapid prototyping. / A.V. Kuzovkin, A.P. Suvorov // Bulletin of the Voronezh State Technical University. - 2014. - V. 10. - № 1. - P. 35-37.

5. Suvorov, A. P. Parametric subsystem of tool-electrode for electrical discharge machining / A.V. Kuzovkin, A.P. Suvorov // Registration certificate of software product 50201650510 - VNTITS, № 0114/0-162, 2016.

Статья поступила в редколлегию 23.12.2016.

Рецензент: д.т.н., профессор кафедры «Производство, ремонт и эксплуатация машин» Воронежского государственного лесотехнического университета им. Г. Ф. Морозова А.М. Кадырметов

Сведения об авторах: Суворов Александр Петрович

аспирант кафедры ГКПД, Воронежский государственный технический университет, телефон: 8 (905) 049-86-43, E-mail: alex [email protected]

Suvorov Alexander Petrovich

Post graduate student of the Dep. GCPD, Voronezh State Technical University.

Кузовкин Алексей Викторович

д.т.н., профессор, заведующий кафедрой ГКПД, Воронежский государственный технический университет, телефон: 8(960) 131-41-63, E-mail: akuzovkin@mail. ru

Kuzovkin Alexey Viktorovich

D.Eng., Prof.,

Head of the Dep. GCPD,

Voronezh State Technical University