CC BY
28
DOI 10.25987/УБТи.2020.16.4.019 УДК 621.7
РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ КОМБИНИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОДА-ИНСТРУМЕНТА, ИЗГОТАВЛИВАЕМОГО АДДИТИВНЫМ МЕТОДОМ
Е.В. Смоленцев1, В.В. Куц2, М.С. Разумов2, Д.Е. Крохин1
воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия 2Юго-Западный государственный университет, г. Курск, Россия
Аннотация: рассматриваются вопросы технологии электрохимической обработки металлов, основанной на использовании явления анодного растворения. Одним из факторов, ограничивающих область рационального использования электрохимической обработки, является сравнительная сложность изготовления электрода-инструмента. Во многом это обусловлено тем, что конструкция электродов-инструментов для электрохимической обработки металлов должна обеспечить постоянную равномерную подачу рабочей токопроводящей жидкости на участки, где будет происходить обработка. При изготовлении электродов-инструментов сложной формы для электрохимической обработки требуется широкая номенклатура дорогостоящего оборудования, а затраты на процесс могут превышать себестоимость изготовления детали. Решением данной проблемы является использование возможностей систем автоматизированного проектирования и аддитивных технологий, позволяющих реализовать принципиально новые элементы конструкции инструментов, исключая при этом необходимость ряда ресурсоемких операций, выполняемых на дорогостоящем оборудовании. Отличительной особенностью данного решения является то, что корпус электрода-инструмента изготавливается из пластика, обладающего диэлектрическими свойствами, внутри которого и на отдельных участках его поверхности размещаются токопроводящие каналы, слои из токопроводящего пластика, на наружную поверхность которых наносится слой гальванического медного покрытия. Для изготовления данного электрода-инструмента была разработана специальная конструкция 3Б-принтера с дополнительной поворотной горизонтальной осью и тремя позициями для установки двух экструдеров (один с установленным АББ-пластиком, второй с токопроводящим) и специальной насадки для нанесения медного гальванического покрытия. Применение данного 3Б-принтера и разработанного программного обеспечения позволило осуществить аддитивное формообразования комбинированного электрода-инструмента. Предложенный авторами подход к проектированию комбинированных ЭИ, в том числе и сложной формы, позволяет существенно снизить стоимость используемых для его изготовления материалов и реализовать впоследствии процесс его изготовления аддитивными методами без использования широкой номенклатуры дорогостоящего оборудования, что позволит также снизить себестоимость его изготовления
Ключевые слова: электрохимическая обработка, аддитивные технологии, электрод, гальваническое покрытие
Благодарности: исследование выполнено при финансовой поддержке гранта РФФИ в рамках научного проекта №19-38-50076
Введение
Технология электрохимической обработки металлов основана на использовании явления анодного растворения. Металл на поверхности анода (обрабатываемой заготовки) растворяется под действием электромагнитных полей в токопроводящей среде без непосредственного контакта между деталью и инструментом. Данная технология имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными лезвийными методами обработки, например: высокая производительность обработки вне зависимости от твердости материала заготовки, возможность получения различной геометрии с высокой чистотой, обработка поверхностей и полостей в деталях, доступ в которые инструментом для механической обработки невозможен. Кроме
© Смоленцев Е.В., Куц В.В., Разумов М.С., Крохин Д.Е., 2020
того, электрохимическая обработка позволяет исключить операции, требующие ручного труда (слесарные операции по удалению заусенцев, скруглению кромок), что позволяет повысить качество продукции и снизить трудозатраты.
Постановка задачи
Одним из факторов, ограничивающих область рационального использования электрохимической обработки, является сравнительная сложность изготовления электрода-инструмента, особенно в случае, когда он используется для формообразования деталей со сложным профилем, глубокими отверстиями с переменным диаметром, криволинейной осью. Для таких изделий конструкция электрода-инструмента часто является нетехнологичной и ее изготовление невозможно традиционными методами лезвийной обработки.
Во многом это обусловлено тем, что конструкция электродов-инструментов для ЭХО должна, в том числе обеспечивать постоянную равномерную подачу рабочей токопроводящей жидкости на участки, где будет происходить обработка. Для этого в конструкции электродов предусматриваются канавки, щели, отверстия для подвода электролита. Один из примеров схемы реализации электрохимической обработки показан на рис. 1.
Рис. 1. Схема ЭХО с прямой подачей электролита:
VvL - скорость подачи электрода-инструмента; рвх - подача электролита под давлением; D - диаметр рабочей части электрода - инструмента; d-диаметр канала для подвода электролита в зону обработки
Физические и химические свойства электролита, а также характер его протекания в зоне обработки оказывают значительное влияние на такие показатели, как производительность, шероховатость, точность, качество поверхностного слоя. В связи с этим при конструировании электродов к щелям и отверстиям в них предъявляется большое число требований [1], например, касающихся длины путей прохождения электролита, расположения мест подвода электролита, их взаимного положения. Выполнение всех этих требований позволяет достичь снижения погрешности обработки до 1-2 мкм [2], однако формообразование таких элементов традиционными субтрактив-ными технологиями либо требует слишком высоких затрат ресурсов, либо, в ряде случаев, невозможно.
Как известно [3], такие технологические показатели обработки, как качество обработки,
точность и производительность являются на практике взаимоисключающими в случае попытки одновременно их повысить в рамках одной операции. Тем не менее в случае дискретного управления параметрами и способом подачи электролита в зону обработки, можно достичь ощутимого прироста (или сохранения значений на приемлемом уровне) по каждому из них при ЭХО. Так, например, формируя в ЭИ каналы для удаления газообразных продуктов обработки можно устранить негативный эффект от наводораживания поверхности, стабилизировать процесс анодного растворения металла, снизить погрешность обработки в несколько раз [1]. Варьируя форму каналов можно реализовать попеременно ламинарный и турбулентные характеры протекания рабочей среды. В первом случае будут достигнуты стабильность и качество обработки, во втором -ускоренное удаление продуктов из межэлектродного зазора. Концентрация, состав и температура электролита могут изменять производительность обработки на порядок, влияют на точность формируемой поверхности, поэтому подвод различающихся по вышеуказанным параметрам рабочих жидкостей к различным участкам детали может открыть новые возможности повышения технологических показателей, особенно в случае обработки биметаллов, широко используемых, например, при производстве аэрокосмической техники. Также возможно за счет формирования геометрии каналов для подвода электролита достижение скорости протекания электролита на всех участках обработки со значениями, обеспечивающими вынос металло- и газосодержащих продуктов обработки, что обеспечит повышение технологических показателей.
Методы исследования, результаты
При проектировании электродов-инструментов придерживаются следующей последовательности. Вначале рассчитывают форму рабочей поверхности и положение каналов для подвода рабочей среды к обрабатываемым участкам заготовки. При определении формы рабочей части инструмента исходят из поверхности, эквидистантной обрабатываемому контуру, корректируя ее по различным методикам до действительной. Наиболее распространены следующие методы корректировки: аналитический, моделирования электрическим полем и производственный. Первыми двумя методами затруднительно учитывать
такие факторы, как гидродинамика рабочей среды, варьирование ее температуры и концентрации в процессе обработки, что снижает качество изготовления деталей. Поэтому более распространен третий, производственный метод [4].
Изготовление электродов инструментов сложной формы по сложившейся технологии ведется в следующей последовательности:
По известным методикам [4] рассчитывают и изготавливают мастер-шаблоны с профилем, обратно эквидистантным рабочей части электрода-инструмента.
1. По мастер-шаблонам изготавливают литейные формы, затем отливают по ним заготовку, в том случае, если необходимо выполнить в ней каналы для подвода электролита.
2. С помощью субтрактивных технологий формируют окончательную геометрию электрода-инструмента для электрохимической обработки.
Обобщенная технология изготовления электродов-инструментов для ЭХО показана на рис. 3 [5].
Из вышесказанного очевидно, что для изготовления инструментов сложной формы для электрохимической обработки требуется широкая номенклатура дорогостоящего оборудования, а затраты на процесс могут превышать себестоимость изготовления детали. Очевидно, что применительно к единичному производству масштабы затрат вырастают на порядок. При этом в любом случае не гарантируется реализация дискретного управления параметрами и способом подачи электролита в зону обработки, которыми, как было сказано выше, можно достичь значительного повышения технологических показателей обработки.
Решением данной проблемы является использование возможностей систем автоматизированного проектирования и аддитивных технологий, позволяющих реализовать принципиально новые элементы конструкции инструментов, исключая при этом необходимость ряда ресурсоемких операций, выполняемых на дорогостоящем оборудовании.
На рис. 2 показаны эскиз и 3D-модель электрода-инструмента для удаления заусенцев в отверстиях, имеющих традиционную
конструкцию. Основа электрода-инструмента представляет собой цельную конструкцию, изготавливаемую из меди, на которую для формирования токонепроводящих участков наносится слой диэлектрика - капрона.
Рис. 2. Традиционная конструкция электрода-инструмента
Для обеспечения возможности изготовления электрода-инструмента аддитивным способом и уменьшения его стоимости была предложена новая конструкция, представленная на рис. 4.
Используемый метод
Рис. 3. Обобщенная технология изготовления электродов-инструментов для ЭХО
Рис. 4. Конструкция комбинированного электрода-инструмента
Её отличительной особенностью является то, что корпус электрода-инструмента изготавливается из пластика, обладающего диэлектрическими свойствами, внутри которого и на отдельных участках его поверхности размещаются токопроводящие каналы, слои из то-копроводящего пластика, на наружную поверхность которых наносится слой гальвани-
ческого медного покрытия (см. рис. 4). В данном случае слои токопроводящего пластика используются в качестве основы для нанесения гальванического медного покрытия, что позволит повысить токопроводность на участках электрода-инструмента, непосредственно участвующих в процессе электрохимического растворения заусенцев. Таким образом, для
изготовления ЭИ аддитивным методом необходимо построить отдельные модели частей электрода, изготавливаемых из ABS пластика и изготавливаемых из токопроводящего пластика, наружная поверхность которого будет покрываться слоем меди (рис. 5).
б) в)
Рис. 5. Структура комбинированного электрода-инструмента: а) сборная модель комбинированного ЭИ; б) часть модели, изготавливаемая из ABS пластика; в) часть модели, изготавливаемая из токопроводящего пластика
Для нанесения локального гальванического медного покрытия на аддитивном оборудовании была разработана специальная насадка, устанавливаемая на позиции дополнительного экструдера в SD-принтере (рис. 6).
Ш_ ) 1
Рис. 6. Насадка для нанесения локального гальванического покрытия с использованием 3Б-принтера
Насадка представляет собой корпус, состоящий из медной трубки 4, которая выполняет роль анода, поскольку к ней подключается плюс от источника питания 2, и имеет гайку 5 и насадку 3, в полости которой находится электролит. Гайка 5 имеет резьбу и накручивается на медную трубку 4, что позволяет доливать электролит при надобности. Насадка 3 накручивается на нижнюю часть медной трубки и имеет пористый стержень 7, который пропитывается электролитом и выступает в качестве носителя электролита, позволяя взаимодействовать с деталью 1, которая является катодом, поскольку подключена к отрицательной клемме источника питания 2. Причем размер и пористость стержня 7 подбираются из учета толщины наносимого единичного слоя. Таким образом, обеспечивается нанесение ионов меди на заготовку из электролита, и пополнения ионов меди в электролит с поверхности медной трубки. Кольцо 6 выполнено из диэлектрика и служит для закрепления на принтере.
Для изготовления данного электрода-инструмента была разработана специальная конструкция 3D-принтера с дополнительной поворотной горизонтальной осью [6-9] и тремя позициями для установки 2-х экструдеров (один с установленным АББ-пластиком, второй с токопроводящим) и специальной насадки для нанесения медного гальванического покрытия. Применение данного 3D-принтера и разработанного программного обеспечения позволило осуществить аддитивное формообразования комбинированного электрода-инструмента (рис. 7).
Рис. 7. Модель комбинированного ЭИ, получаемого аддитивным формообразованием
Выводы
Предложенный авторами подход к проектированию комбинированных ЭИ, в том числе и сложной формы, позволяет существенно снизить
стоимость используемых для его изготовления материалов и реализовать в последующем процесс его изготовления аддитивными методами без использования широкой номенклатура дорогостоящего оборудования, что позволит также снизить себестоимость его изготовления.
Литература
1. Справочник по электрохимическим и электрофизическим методам обработки / Г.Л. Амитан, И.А. Бай-супов, Ю.М. Барон и др.; под общю ред. В.А. Волосатова. Л.: Машиностроение. Ленингр. Отд-ние, 1988. 719 с.
2. Григорьев С.Н., Смоленцев Е.В., Волоскова М.А. Технология обработки концентрированными потоками энергии: учебник для студентов технических вузов. Ст. Оскол: ТНТ, 2009. 280 с.
3. Смоленцев Е.В. Проектирование электрических и комбинированных методов обработки: монография. М.: Машиностроение, 2005. 511 с.
4. Теория электрических и физико-химических методов обработки. Ч. I. Обработка материалов с применением инструмента: учеб. пособие / В.П. Смоленцев, А.И. Болдырев, Е.В. Смоленцев, Г.П. Смоленцев, И.Т. Коптев. Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государ-
ственный технический университет», 2008. 248 с.
5. Орлов А.А. Повышение производительности и качества изготовления лопаток компрессора ГТД за счет совершенствования технологии круговой электрохимической обработки: дис. ... канд. техн. наук: 05.02.08. Рыбинск, 2014. 159 с.
6. Проектирование технологического оборудования для аддитивного формообразования с гибридной компоновкой / А.Н. Гречухин, В.В. Куц, А.В. Олешиц-кий, Ю.Э. Симонова // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2019. Т. 15. № 4. С. 111-118.
7. Динамическое управление процессом аддитивного формообразования с применением 5-координатного технологического оборудования / А.Н. Гречухин, В.В. Куц, М.С. Разумов, И.В. Ванин // Известия Юго-Западного государственного университета. 2019. Т. 23. № 1. С. 9-20.
8. Расширение технологических возможностей методов аддитивного формообразования с применением механизмов параллельно-последовательной структуры / А.Н. Гречухин, В.В. Куц, А.В. Олешицкий, М.С. Разумов // Известия Юго-Западного государственного университета. 2019. Т. 23. № 6. С. 34-44.
9. Куц В.В., Гречухин А.Н., Разумов М.С. Пути снижения погрешности аддитивных методов формообразования // Вестник МГТУ Станкин. 2019. № 1(48). С. 21-25.
Поступила 20.06.2020; принята к публикации 21.08.2020
Информация об авторах
Смоленцев Евгений Владиславович - д-р техн. наук, профессор, профессор кафедры технологии машиностроения, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), тел. 8(473)2530973, e-mail: [email protected]
Куц Вадим Васильевич - д-р техн. наук, доцент, профессор кафедры машиностроительных технологий и оборудования, Юго-Западный государственный университет (305000, Россия, г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94), тел.: 8(4712)222669, е-mail: [email protected]
Разумов Михаил Сергеевич - канд. техн. наук, доцент кафедры машиностроительных технологий и оборудования, Юго-Западный государственный университет (305000, Россия, г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94), е-mail: [email protected] Крохин Дмитрий Евгеньевич - аспирант кафедры технологии машиностроения, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), тел. 8(473)2530973, е-mail: [email protected]
DEVELOPMENT OF THE DESIGN OF THE COMBINED ELECTRODE-TOOL MANUFACTURED BY THE ADDITIVE METHOD
E.V. Smolentsev1, V.V. Kuts2, M.S. Razumov2, D.E. Krokhin1
'Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia 2Southwest State University, Kursk, Russia
Abstract: the article deals with the issues of electrochemical metal processing technology based on the use of the phenomenon of anodic dissolution. One of the factors limiting the area of rational use of electrochemical processing is the comparative complexity of manufacturing an electrode-tool. This is largely due to the fact that the design of electrodes-tools for electrochemical processing of metals must ensure a constant uniform supply of working conductive liquid to the areas where the processing will take place. Manufacturing complex tools for electrochemical processing requires a wide range of expensive equipment, and the cost of the process may exceed the cost of manufacturing parts. The solution to this problem is to use the capabilities of computer-aided design systems and additive technologies that allow one to implement fundamentally new elements of the design of tools, while eliminating the need for a number of resource-intensive operations performed on expensive equipment. A distinctive feature of this solution is that the body of the electrode-tool is made of plastic with dielectric properties, inside of which and on separate sections of its surface are conductive channels, layers of conductive plastic, on the outer surface of which a layer of galvanic copper coating is applied. For the production of this tool electrode, a special design of a 3D printer was developed with an additional rotating horizontal axis and three positions for installing 2 extruders (one with an installed ABS plastic, the second with a conductive one) and a special nozzle for applying copper electroplating. The use of this 3D printer and the developed software made it possible to implement additive shaping of the combined electrode of the tool. The proposed approach to the design of combined ET, including complex forms, allows one to significantly reduce the cost of
materials used for its manufacture and implement the subsequent process of its manufacture by additive methods without using a wide range of expensive equipment, which will also reduce the cost of its manufacture
Key words: electrochemical processing, additive technologies, electrode, electroplating
Acknowledgements: The Research was carried out with the financial support of the RFBR Grant in the framework of scientific project no. 19-38-50076
References
1. Amitan G.L., Baysupov I.A., Baron Yu.M. et al., ed. Volosatov V.A. "Reference book on electrochemical and electrophys-ical methods of processing" ("Spravochnik po elektrokhimicheskim i elektro-fizicheskim metodam obrabotki"), Leningrad, Mahin-istroenie, 1988, 719 p.
2. Grigoriev S.N., Smolentsev E.V., Voloskova M.A. "Technology of processing with concentrated energy flows" ("Tekhnologiya obrabotki kontsentrirovannymi potokami energii"), Textbook for students of technical universities, St. Oskol, TNT, 2009, 280 p.
3. Smolentsev E.V. "Design of electric and combined processing methods" ("Proektirovanie elektricheskikh i kom-binirovannykh metodov obrabotki"), monograph, Moscow, Mashinostroenie, 2005, 511 p.
4. Smolentsev V.P., A.I. Boldyrev, Smolentsev E.V., Smolentsev G.P., Koptev I.T. "Theory of electrical and physical-chemical processing methods. Part I: processing of materials with the use of tools" ("Teoriya elektricheskikh i fiziko-khimicheskikh metodov obrabotki. CH. I. Obrabotka materialov s primeneniem instrumenta"), textbook, Voronezh State Technical University, 2008, 248 p.
5. Orlov A.A. "Improving the productivity and quality of manufacturing of gas turbine compressor blades by improving the technology of circular electrochemical processing" ("Povyshenie proizvoditel'nosti i kachestva izgotovleniya lopatok kompressora GTD za schet sovershenstvovaniya tekhnologii krugovoy elektro-khimicheskoy obrabotki"), Cand. of Tech. Sciences diss., Rybinsk State Aviation Technical University named after P. A. Solovyev, 05.02.08, Rybinsk, 2014, 159 p.
6. Grechukhin A.N., Kuts V.V., Oleshitskiy A.V., Simonova Yu.E. "Design of technological equipment for additive forming with hybrid layout", Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta), 2019, vol. 15, no. 4, pp. 111-118.
7. Grechukhin A.N., Kuts V.V., Razumov M.S., Vanin I.V. "Dynamic control of the additive forming process with the use of 5-coordinate technological equipment", News of South-West State University (Izvestiya Yugo-Zapadnogo gosudarstvennogo universiteta), 2019. vol. 23, no. 1, pp. 9-20.
8. Grechukhin A.N., Kuts V.V., Oleshitskiy A.V., Razumov M.S. "Expanding the technological capabilities of additive forming methods with the use of mechanisms of parallel-sequential structure", News of South-West State University (Izvestiya Yugo-Zapadnogo gosudarstvennogo universiteta), 2019, vol. 23, no. 6, pp. 34-44
9. Kuts V.V., Grechukhin A.N., Razumov M.S. "Ways to reduce the error of additive methods of forming", Bulletin of MSTU Stankin (VestnikMGTUStankin), 2019, no. 1 (48), pp. 21-25.
Submitted 20.06.2020; revised 21.08.2020
Information about the authors
Eugeniy V. Smolentsev, Dr. Sc. (Technical), Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), tel.: +7 (473)2530973, email: [email protected]
Vadim V. Kutz, Dr. Sc. (Technical), Associate Professor, Professor, South Ural State University (94, 50 let Oktyabrya str., Kursk 305000, Russia), tel.: +7 (4712) 222669, e-mail: [email protected]
Mikhail S. Razumov, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, (94, 50 let Oktyabrya str., Kursk 305000, Russia), tel.: +7 (4712) 222669, e-mail: [email protected]
Dmitriy E. Krokhin, Graduate student, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), tel.: +7 (473)2530973, e-mail: [email protected]
