CC BY
16
DOI 10.36622/VSTU.2023.19.4.017 УДК 621.923.02: 621.763
ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АБРАЗИВНОГО ИНСТРУМЕНТА НА ОСНОВЕ ФОТОПОЛИМЕР-АБРАЗИВНОГО КОМПОЗИТА В УСЛОВИЯХ ЕДИНИЧНОГО И МЕЛКОСЕРИЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Д.А. Голобурдин, А.М. Козлов Липецкий государственный технический университет, г. Липецк, Россия
Аннотация: шлифование - один из наиболее распространенных методов обработки ответственных поверхностей деталей в современном машиностроении. Среди большого количества факторов, влияющих на процесс шлифования, одними из наиболее важных являются характеристики и свойства абразивного инструмента. В связи с внедрением в производство новых конструкционных материалов разработка и производство современного абразивного инструмента являются одними из приоритетных задач. Описана технология изготовления абразивного инструмента с использованием SLA технологии 3D-печати (стереолитография). Приведены основные технологические этапы изготовления абразивного инструмента по предлагаемой технологии, представлено описание используемого в работе оборудования, программного обеспечения (CAD-системы, системы генерации управляющих работой 3D-принтера программ), а также расходных материалов и режимов печати образцов. Представлены возможности предлагаемой технологии, в частности, изготовление инструмента со сложной геометрией рабочих поверхностей, изменяемой геометрии от периферии к центру инструмента, а также с изменяемыми характеристиками, например, с разной зернистостью абразивного материала. Рассмотрены преимущества и недостатки предложенной технологии, проанализированы полученные результаты. Представлены результаты регрессионного анализа, на основании которых выведена зависимость параметра времени засветки слоя от плотности фотополимерно-абразивной композиции
Ключевые слова: аддитивные технологии, 3D-печать, фотополимер-абразивный композит, SLA технология, шлифовальный инструмент
Введение
Шлифование является одним из самых производительных методов финишной обработки. Качественные показатели зависят от многих факторов, таких как режимы резания, возможности оборудования, свойств режущего инструмента и т.д. Режущий, или абразивный инструмент, являет собой совокупность характеристик, в сумме оказывающих определяющее влияние на конечный результат обработки. Проектирование и технология изготовления шлифовального круга представлены в работах [1, 2]. Расширение требований к эксплуатационным характеристикам деталей в ряде случаев вызывает необходимость быстрого изготовления и испытаний технологических возможностей абразивного инструмента. Следует отметить, что такие инструменты, как правило, не изготавливаются серийно, но определить их возможности крайне важно. Например, для формирования на цилиндрической поверхности определённого направления микронеровностей предложен некруговой торцовый абразивный инструмент [3]. Отечественными исследователями предложено множество конструкций абразивного инструмента,
© Голобурдин Д.А., Козлов А.М., 2023
как составных [4-6], так и цельных [7-11], которые нацелены на интенсификацию процесса шлифования, снижение теплонапряжённости в зоне резания, улучшение качества обработанной поверхности.
Таким образом, при разработке нового абразивного инструмента необходимо проведение экспериментальных исследований предложенных конструкций, что требует изготовления их опытных образцов.
Постановка задачи
Классическая технология изготовления абразивного инструмента - шлифовальный круг, или абразивный сегмент - как правило, нацелена на массовое, либо крупносерийное производство, когда средняя партия производимого абразивного инструмента составляет от одной тысячи до 10 тысяч штук, со сроком поставки от нескольких месяцев. Для условий мелкосерийного или единичного производства, при частой смене объекта выпуска, это неприемлемо. В то же время изготовление единичных, или мелкосерийных экспериментальных образцов, приводит к большим временным и, как следствие, экономическим затратам.
Для решения проблемы предлагается технология изготовления абразивного инструмен-
та на основе фотополимер-абразивного композита с помощью аддитивных технологий, в частности, SLA технологи ЭБ-печати.
Методы исследования
Аддитивные технологии находят всё большее применение в современном производстве от аэрокосмической отрасли до приборостроения и медицины [12-14].
SLA технология представляет собой процесс аддитивного производства, основанный на полимеризации смолы. В SLA печати модель создаётся путём селективного отверждения фотополимерной смолы с использованием ультрафиолетового излучения. Формирование контура модели происходит в плоском 2D сечении, тогда как объём формируется за счёт перемещения по оси Z.
Предлагаемая технология печати шлифовального инструмента включает следующие этапы:
формирование 3D-модели изготавливаемого шлифовального инструмента;
подготовка управляющей программы печати;
подготовка композиции из абразивного материала и фотополимерной смолы [15];
печать шлифовального инструмента по ранее заданной модели/программе;
промывка полученной заготовки в изо-пропиловом спирте;
дополнительная фотополимеризация изделия (сушка) в ультрафиолетовом излучении.
Формирование 3D-модели происходит в любой системе проектирования, такой как Компас 3D, SolidWorks, Inventor, Fusion Э60 и т.д., с использованием различных математических инструментов [16]. Также имеется возможность формирования 3D-модели изготавливаемого инструмента на основе его математической модели, учитывающей различные его параметры, например, внутреннюю структуру [17].
На рис. 1 представлена блок-схема предлагаемого технологического процесса изготовления шлифовального инструмента.
На этапе формирования ЭБ-модели закладывается главное преимущество предлагаемого метода изготовления шлифовального инструмента, а именно - возможность проектирования и запуска в печать изделий со сложной геометрией, отвечающей требуемым технологическим задачам. Форму и размеры инструмента можно описать рядом параметров,
что даёт большое поле для подбора необходимой геометрии рабочих поверхностей, подходящих под конкретные задачи. Примеры 3Б-моделей шлифовального инструмента со сложной геометрией представлены на рис. 2.
После формирования 3Б-модели необходимо создать управляющую программу печати с помощью специализированного программного обеспечения.
Фармирабание 3D модели инструмента
о
Подготодка упрабляющей программы (у-кода)
II
Подготовка фотополимер-адразибного композита
i
Печать шлифобального инструмента по сформирабаннай 3D модели/программе
л
Промыбка инструмента б изопропилобом спирте
I
Дополнительная фотополимеризация инструмента б ультрафиолетобом излучении (сушка)
Рис. 1. Блок-схема предлагаемого технологического процесса печати инструмента
Рис. 2. ЭБ-модели шлифовальных кругов со сложной геометрией
Эксперименты проводились с использованием программного обеспечения Photon Workshop и Chitubox. Данное программное обеспечение позволяет настраивать режимы печати -толщину слоя, нормальное время экспозиции (засветки слоя), период отключения (засветки слоя), время экспозиции первого слоя, толщину первого слоя.
Печать производилась на принтере модели Anycubic Photon Mono и Mono 4k (далее «принтер»).
Печать образцов, представленных на рис. 1 и рис. 2, производилась на режимах, указанных в табл. 1. Примеры напечатанных образцов представлены на рис. 3.
Таблица 1
3D-печати
Наименование параметра Значение
Толщина слоя, мм 0,05
Нормальное время экспозиции, с 3
Период отключения, с 0,5
Время экспозиции первого слоя, с 40
Толщина первого слоя, мм 6
Количество использованного фотополимера, мл 34,33
Время печати, мин 91
Печать показала высокую точность линейных размеров образцов, а также высокое качество напечатанной поверхности, что позволит снизить время на последующую механическую обработку посадочных поверхностей под оправки или планшайбы.
Следующим этапом экспериментов является получение напечатанного образца из фотополимер-абразивного композита, представ-
Рис. 3. Напечатанные модели шлифовальных кругов ленн°ГО в раб°те [15]. Режимы штата °браз-
цов представлены в табл. 2.
Таблица 2
Режимы 3Б-печати композитных образцов
Наименование параметра Значение
Образец 1 Образец 2 Образец 3
1. Толщина слоя, мм 0,1 0,1 0,1
2. Нормальное время экспозиции, с 10 15 20
3. Период отключения, с 0,5 1 2
4. Время экспозиции первого слоя, с 40 45 50
5. Толщина первого слоя, мм 6 8 10
6. Количество использованного 4,32 4,32 4,32
фотополимера, мл
7. Время печати, мин 94 125 156
В результате был получен ряд образцов круглой формы с центральным отверстием (рис. 4). Структура полученных образцов представлена на рис. 5.
Напечатанные образцы обеспечили требуемую геометрию в плоскости Х-У (плоскости формирования контура), наружный и внутренний (посадочный) диаметры.
Существует технология изготовления абразивного инструмента на эпоксидных связках, например, шлифовального шевера [1]. Однако в таком методе необходимо изготавли-
вать эталонную матрицу, что значительно усложняет изготовление инструмента и повышает его себестоимость.
Сравнение полученных образцов с шлифовальным кругом заводского исполнения, на образование рисок на поверхности металлической детали, показало одинаковые результаты.
Главной целью проведения данного эксперимента является изучение способности фотополимера удерживать в своём объёме абразивные зерна, то есть возможность применения его в качестве связки.
Рис. 4. Напечатанный образец шлифовального круга из фотополимер-абразивного композита
Рис. 5. Структура образцов, напечатанных из фотополимер-абразивного композита
И заводской, и экспериментальный образцы выкрашивались примерно с одинаковой интенсивностью, что свидетельствует о достаточно надёжном удержании абразивных зёрен в связке из фотополимерной смолы.
Ввиду значительного отличия свойств фотополимер-абразивного композита от базовой фотополимерной смолы, режимы печати также будут значительно отличаться. Наличие абразива в фотополимерной смоле меняет плотность состава, светопроницаемость, конечную массу изделия и т.д. [15]. В связи с этим возникает необходимость в подборе режимов, а также прогнозировании результатов печати. На основе проведенных экспериментов зависимость времени засветки слоя от плотности фотополимер-абразивной композиции может быть представлена в виде уравнения регрессии.
Уравнение линейной регрессии будет иметь следующий вид:
Т = а + Ьр,
(1)
где Т - время засветки слоя, с;
р - плотность фотополимер-абразивного композита, г/см3;
а и Ь - коэффициенты регрессии. На основе экспериментальных данных были определены значения коэффициентов регрессии, и уравнение (1) примет вид:
Т = -95 + 89,6861р.
(2)
Таким образом, выбор величины времени засветки слоя напрямую зависит от значения плотности применяемого для печати фотополимер-абразивного композита.
Результаты
На основе результатов экспериментальных исследований можно выделить следующие перспективы использования предложенного метода изготовления шлифовального инструмента:
• возможность изготовления абразивного инструмента любой конфигурации, требуемой под конкретные задачи производства;
• гибкая настройка параметров абразивного инструмента (геометрия, размеры и т.д.), на основе компьютерной модели;
• значительное снижение экономических затрат на изготовление абразивного инструмента. Так, например, партия абразивного инструмента (за основу расчёта взята стоимость шлифовального круга размером 200х400х32 мм, прямого профиля, с зернистостью F150) из одной тысячи штук будет стоить около 556 тысяч рублей. Тогда как 3Б-печать абразивного инструмента обойдётся по себестоимости материалов, входящих в состав фотополимер-абразивного композита, с учётом энергетических затрат на сам процесс 3Б-печати;
• снижение трудоёмкости изготовления абразивного инструмента. Предложенный метод не требует серьёзной технологической подготовки производства, позволяя в коротки сроки запустить мелкосерийные партии инструмента;
• технология позволяет регулировать внутреннюю структуру шлифовального инструмента, за счёт послойного компьютерного моделирования. Появляется возможность программного задания наличия и концентрации пор, их расположение, форма;
• метод позволяет регулировать как внешнюю, так и внутреннюю геометрию. Это даёт возможность, например, совмещать прерывистое и непрерывное шлифование, открывая в процессе работы шлифовального круга, на сплошной рабочей поверхности участки прерывистого резания, тем самым динамически регулируя условия шлифования (рис. 6).
Рис. 6. Структура образцов, напечатанных из фотополимер-абразивного композита: 1) участок сплошной периферийной поверхности; 2) зона с поверхностью прерывистого резания
Выводы
Применение SLA технологии в производстве шлифовального инструмента позволяет изготавливать инструменты со сложной геометрией рабочих поверхностей (периферии, торца).
Предложенная технология даёт возможность контролировать как внешнюю, так и внутреннюю геометрию рабочей поверхности изготавливаемого инструмента, тем самым позволяя динамически регулировать условия шлифования.
Технология позволяет сократить экономические и временные затраты на изготовление шлифовального инструмента в условиях единичного и мелкосерийного производства.
Высокая степень гибкости характеристик печатаемого шлифовального инструмента, за счёт применения связок на основе фотополимерных смол с различными физико-механическими свойствами, а также абразива с различными характеристиками (материал, твёрдость, зернистость).
Литература
1. Основы проектирования и технология изготовления абразивного инструмента: уч. пособие / Ю.М. Ко-вальчук, В.А. Букин, Б.А. Глаговский [и др.]; под общ. ред. Ю.М. Ковальчука. М.: Машиностроение, 1984. 288 с.
2. Шлифовальные инструменты с наполнителями и из смесей абразивов разных по форме и зернистостям: уч. Пособие / С.А. Крюков, Н.В. Байкова, А.И. Миросе-ди, Е.М. Ревзина. СПб., 2018. 155 с.
3. Kozlov A.M., Kozlov A.A., Vasilenko Y.V. Modeling a Cylindrical Surface Machined by a Non-Circular Face Tool. J Procedia Engineering. 1501081-1088.
4. Патент РФ 2300455. Сборный торцовый абразивный круг / Л.В. Худобин, Ю.М. Правиков, С.М. Ми-хайлин, Г.Р. Муслина. 10 июня 2007.
5. Патент РФ 2294277. Торцовый абразивный круг / Л.В. Худобин, Г.Р. Муслина, Ю.М. Правиков, И.М. Пока-заньев. 27 февраля 2007.
6. Патент РФ 2249500. Сборный торцошлифоваль-ный круг / А.М. Козлов, О.Н. Пономарев, В.В. Ефремов. 10 апреля 2005.
7. Патент РФ 2008190. Шлифовальный круг / О.Н. Ушанев, Л.В. Приданникова. 28 февраля 1994.
8. Патент РФ 1755494. Шлифовальный круг / О.Н. Ушанев, В.Н. Заболотский. 10 марта 1995.
9. Бутенко В.И., Гусакова Л.В., Кулинский А.Д. Перспективные направления повышения эффективности шлифования поверхностей деталей машин // Вестник Брянского государственного технического университета №2(50), 2016. С. 112-120.
10. Патент РФ 2201865. Шлифовальный инструмент / В.И. Бутенко, Д.И. Диденко, Д.С. Дуров. 10 апреля 2003.
11. Патент РФ 2395381. Шлифовальный инструмент / В.И. Бутенко, Д.С. Дуров, Л.В. Гусакова. 27 июля 2010.
12. Зленко М.А., Довбыш В.М. Аддитивные технологии в машиностроении: пособие для инженеров. М. ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ», 2015. 220 с.
13. Зленко М.А., Попович А.А., Мутылина И.Н. Аддитивные технологии в машиностроении: учебное пособие. СПб.: СПбГУ, 2013 221 с.
14. Валетов В.А. Аддитивные технологии (состояние и перспективы): учебное пособие. СПб.: Университет ИТМО, 2015. 63 с.
15. Голобурдин Д.А., Козлов А.М., Козлов А.А. Разработка фотополимер-абразивного композита для 3D-печати инструмента // Воронежский научно-технический вестник. 2022. №3(41). С. 4-10.
16. Амбросимов С.К., Поддубных И.Ю. Решение некоторых задач обработки резанием методами алгебры логики // Вестник ЛГТУ. 2020. № 2 (43). С. 20-29.
17. Голобурдин Д.А., Козлов А.М., Козлов А.А. Моделирование единичного слоя абразивного инструмента для 3D-печати // Фундаментальные основы физики, химии и механики наукоёмких технологических систем формообразования и сборки изделий: сб. науч. тр. Международного научного симпозиума технологов-машиностроителей. Дивноморское, 2022. С. 83-87.
Поступила 19.06.2023; принята к публикации 17.08.2023 Информация об авторах
Голобурдин Дмитрий Алексеевич - аспирант кафедры технологии машиностроения, Липецкий государственный технический университет (398055, Россия, г. Липецк, ул. Московская, 30), тел.+7 (919) 259-70-03, e-mail: [email protected], ORCID: https://orcid.org/0000-0003-3535-4119
Козлов Александр Михайлович - д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой технологии машиностроения, Липецкий государственный технический университет (398055, Россия, г. Липецк, ул. Московская, 30), тел. 8 (905) 044-90-10, e-mail: [email protected], ORCID: https://orcid.org/0000-0001-7650-0616
TECHNOLOGY OF ABRASIVE TOOLS MANUFACTURING ON THE BASIS OF PHOTOPOLYMER-ABRASIVE COMPOSITE, IN CONDITIONS OF SINGLE AND SMALL-SCALE PRODUCTION
D.A. Goloburdin, A.M. Kozlov Lipetsk State Technical University, Lipetsk, Russia
Abstract: grinding is one of the most common methods for processing critical surfaces of parts in modern mechanical engineering. Among the large number of factors affecting the grinding process, one of the most important are the characteristics and properties of the abrasive tool. In connection with the introduction of new structural materials into production, the development and production of modern abrasive tools are one of the priority tasks. The technology of manufacturing an abrasive tool using SLA 3D printing technology (stereolithography) is described. The main technological stages of manufacturing an abrasive tool according to the proposed technology are given, a description of the equipment used in the work, software (CAD systems, systems for generating programs that control the operation of a 3D printer), as well as consumables and sample printing modes are presented. The possibilities of the proposed technology are presented, in particular, the manufacture of tools with complex geometry of working surfaces, variable geometry from the periphery to the center of the tool, as well as with variable characteristics, for example, with different grain sizes of abrasive material. The advantages and disadvantages of the proposed technology are considered, the results obtained are analyzed. The results of regression analysis are presented, on the basis of which the dependence of the layer exposure time parameter on the density of the photopolymer-abrasive composition is derived
Key words: additive technologies, 3D printing, photopolymer-abrasive composite, SLA technology, grinding tools
References
1. Kovalchuk Yu.M., Bukin V.A., Glagovsky B.A. "Fundamentals of designing and manufacturing technology of abrasive tools: a training manual for technical schools on the specialty "Production of abrasive and diamond tools" ("Osnovy proyektirovaniya i tekhnologiya izgotovleniya abrazivnogo instrumenta: uch. posobiye dlya tekhnikumov po spetsial'nosti "Proizvodstvo abrazivnogo i almaznogo instrumenta", ed. by Kovalchuk Yu.M., Moscow, Mashinostroyeniye, 1984, 288 p.
2. Kryukov S.A., Baikova N.V., Mirocedi A.I., Revzina E.M. "Grinding tools with fillers and from mixtures of abrasives of different shapes and grits. Tutorial" ("Shlifoval'nyye instrumenty s napolnitelyami i iz smesey abrazivov raznykh po forme i zernis-tostyam: uch. Posobiye"), St. Petersburg, 2018, 155 p.
3. Kozlov A.M., Kozlov A.A., Vasilenko Y.V. "Modeling a Cylindrical Surface Machined by a Non-Circular Face Tool", Procedia Engineering, 2016, 1501081 - 1088, DOI: 10.1016/j.proeng.2016.07.218.
4. Khudobin L.V., Pravikov Y.M., Mikhailin S.M., Muslina G.R. "Assembled face abrasive wheel" ("Sbornyy tortsovyy abrazivnyy krug"), Patent of RF no. 2300455, June 10, 2007.
5. Khudobin L.V., Muslimina G.R., Pravikov Yu.M. "A face abrasive wheel" ("Tortsovyy abrazivnyy krug"), Patent of RF no. 2294277, February 27, 2007.
6. Kozlov A.M., Ponomarev O.N., Efremov V.V. "Prefabricated face grinding wheel" ("Sbornyy tortsoshlifoval'nyy krug"), Patent of RF no. 2249500, April 10, 2005.
7. Ushanev O.N., Pridannikova L.V. "Grinding-shaft wheel" ("Shlifoval'nyy krug"), Patent of RF no 2008190, February 28, 1994.
8. Ushanev O.N., Zabolotsky V.N. "Grinding-shaft wheel" ("Shlifoval'nyy krug"), Patent of RF no. 1755494, March 10, 1995.
9. Butenko V.I., Gusakova L.V., Kulinsky A.D. "Perspective directions of increasing the efficiency of grinding surfaces of machine parts", The Bulletin of Bryansk State Technical University (Vestnik Bryanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universi-teta), no.2 (50), 2016, pp. 112-120.
10. Butenko V.I., Didenko D.I., Durov D.S. "Grinding tool" ("Shlifoval'nyy instrument"), Patent of RF no. 2201865, April 10, 2003.
11. Butenko V.I., Durov D.S., Gusakova L.V. "Grinding tool" ("Shlifoval'nyy instrument"), Patent of RF no. 2395381, July 27, 2010.
12. Zlenko M.A., Nagaitsev M.V., Dovbysh V.M. "Additive Technology in Machine-Building. Handbook for Engineers" ("Additivnyye tekhnologii v mashinostroyenii: posobiye dlya inzhenerov"), Moscow, GNTS RF FGP "NAMT, 2015, 220 p.
13. Zlenko M.A., Popovich A.A., Mutylina I.N. "Additive Technologies in Mechanical Engineering. Textbook" ("Additivnyye tekhnologii v mashinostroyenii. uchebnoye posobiye"), St. Petersburg, SPbGU, 2013, 221 p.
14. Valetov V.A. "Additive technologies (state and prospects). Tutorial" ("Additivnyye tekhnologii (sostoyaniye i perspek-tivy): uchebnoye posobiye"), St. Petersburg, Universitet ITMO, 2015, 63 p.
15. Goloburdin D.A., Kozlov A.M., Kozlov A.A. "Development of photopolymer-abrasive composite for 3D-printing tools", Voronezh Scientific and Technical Bulletin (Voronezhskiy nauchno-tekhnicheskiy vestnik), no. 3 (41), Voronezh, 2022, pp. 4-10.
16. Ambrosimov S.K., Poddubnykh I.Yu. "The solution of some problems of machining by methods of algebra of logic" The Bulletin of Lipetsk State Technical University (VestnikLipetskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta), №2 (43), 2020, pp. 20-29.
17. Goloburdin D.A., Kozlov A.M., Kozlov A.A. "Modeling of single layer of abrasive tool for 3D-printing", Fundamental bases of physics, chemistry and mechanics of high technology systems of shaping and assembling products, proc. of the International Scientific Symposium of Machine-Building Technologists, Divnomorskoye, 2022, pp. 83-87.
Submitted 19.06.2023; revised 17.08.2023 Information about the authors
Dmitriy A. Goloburdin - Postgraduate student, Department of Mechanical Engineering Technology, Lipetsk State Technical University (30 Moskovskaya str., Lipetsk 398055, Russia), tel. +7 (919) 259-70-03, e-mail: [email protected], ORCID: https://orcid.org/0000-0003-3535-4119
Aleksandr M. Kozlov - Dr. Sc. (Technical), Professor, Lipetsk State Technical University (30 Moskovskaya str., Lipetsk 398055, Russia), tel. +7 (905) 044-90-10, e-mail: [email protected], ORCID: https://orcid.org/0000-0001-7650-0616
