Методика изготовления сложнопрофильного электрода-инструмента по технологии быстрого прототипирования

УДК 621.9

МЕТОДИКА ИЗГОТОВЛЕНИЯ СЛОЖНОПРОФИЛЬНОГО ЭЛЕКТРОДА-ИНСТРУМЕНТА ПО ТЕХНОЛОГИИ БЫСТРОГО ПРОТОТИПИРОВАНИЯ

А.П. Суворов, А.В. Кретинин, А.В. Кузовкин

В статье рассмотрена технология проектирования и изготовления инструмента для электрофизических методов обработки с использованием САПР и технологии Rapid Prototyping

Ключевые слова: электрофизическая обработка, электроинструмент, быстрое прототипирование

В современном машиностроении наблюдается тенденция к усложнению форм, что обуславливается рядом причин (конструктивные особенности, прочностные и массогабаритные характеристики, показатели эргономики и эстетики).

Сложнопрофильные поверхности современного машиностроения можно условно разделить на основе геометрии профиля:

- поверхности, подчиненные математическим уравнениям, определенной формы и с определенным расположением в пространстве;

- поверхности, форма которых определяется отдельными точками, а координаты этих точек заданы в виде чисел, обычно сведенных в таблицу, называемые поверхностями с числовыми отметками;

- поверхности, форма которых определяется конструктивной необходимостью, называемые конструктивными.

Классификацию поверхностей в технике можно представить в следующем виде (рис. 1).

Процесс усложнения геометрических форм промышленных объектов наблюдается на всех периодах становления промышленного производства. Однако в настоящее время он приобрел наиболее интенсивный характер, что обуславливается следующими значащими факторами:

- работы в области теории прочности показали возможность повышения прочностных свойств деталей и изделий в целом за счет повышения "степени кривизны поверхности". Под кривизной поверхности в данном случае пони-

Суворов Александр Петрович - ВГТУ, ст. преподаватель, тел. 8 (905) 049-86-43, e-mail: alex_diz@inbox.ru Кретинин Александр Валентинович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. (473) 252-34-52, e-mail: avk-vrn@mail.ru,

Кузовкин Алексей Викторович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. 8 (960) 131-41-63, e-mail: akuzov-kin@mail.ru

мается математическое определение гладкости между двумя кривыми и поверхностями;

- конструктивные особенности детали, механизма, устройства или изделия в целом, обусловленные функциями, на достижение которых направлено его создание;

- эстетическими особенностями детали обусловлены приданием оригинального внешнего вида при проектировании для придания большей выразительности и привлекательности.

Рис. 1. Классификация поверхностей

Анализ криволинейных сложнопрофиль-ных поверхностей, обработка которых осуществляется в современном машиностроительном комплексе, показывает, что действительно существует разновидность деталей, часть поверхностей которых имеет настолько сложную геометрию, что их можно вывести в отдельную группу, обозначив для нее характерные признаки. Критерием их оценки, по данным литературы, следует считать гладкость кривой, которая традиционно получила обозначение G, за которой следуют числа:

непрерывность G0 (точка) означает, что конечные точки соприкасаются. Переход между двумя ребрами или поверхностями является заметным. Это может быть резкий или постепенный переход;

непрерывность G1 (касательная) - плавный переход между кривыми. Две кривые или поверхности движутся в одном направлении в месте соединения, но коэффициент изменения кривизны (скорость) является заметным;

непрерывность G2 (кривизна) - очень плавный переход между кривыми. Две кривые совпадают в конечных точках, являются касательными и имеют одинаковую "скорость" (кривизну) при соединении.

В современном машиностроении существует большое количество объектов со слож-нопрофильными поверхностями (фрезерная обработка, абразивная обработка, литье, методы электрохимической обработки), но большинство из них либо требует в дальнейшем финальной обработки или же достаточно больших экономических вложений.

В настоящее время все большую популярность получают электрофизические и электрохимические методы обработки. Широкое использование данных методов обработки в промышленности обусловлено их высокой производительностью, возможностью выполнять технологические операции, недоступные механическим методам обработки.

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

При электроэрозионных способах обработки съем металла и изменение свойств поверхности детали являются результатом термического действия электрического тока. Наиболее перспективной технологией финишной обработки сложнопрофильных поверхностей в условиях единичного производства являются электрические методы. Однако их использование ограничено трудностями проектирования и изготовления собственно ЭИ на этапе технологической подготовки производства.

Кроме традиционных методов изготовления электрода-инструментов, таких как фрезерование, точение и слесарная обработка, существуют методы, которые значительно снижают трудоемкость изготовления и стоимость ЭИ. К ним относятся методы:

- вихревого копирования;

- порошковой металлургии;

- гальванопластика напылением.

и

металлизация

Электрофизические методы обработки

Электрозронные методы

Электроискровая офабопса

Электромеханические методы

Электроимпульсная обработка

Электроконтактная обработка

Электроабразивная обработка

Магнитоимпульсная обработка

Электрогидравлнчес кая обработка

Лучевые методы

Плазменная обработка

обработка

Электроннолучевая обработка

Лазерная технология

Электрохимические методы обработки

Комбинированные методы обработки

Поверхностные методы

полирование

Анодирование

Пассивирование

Гальванопластика

Гальваностегия

Размерные методы

Анрднс-механическая _<*Р»<1вп»_

Анодно-пшравлическая обработка

Рис. 2. Электрические методы обработки Поверхностей

Эти методы часто используются для изготовления электрода-инструментов для серийного производства, но они часто требуют ручной слесарной доводки, имеют низкую электроэрозионную стойкость ЭИ или дают неравномерность толщины и плотности осажденного металлического слоя.

В настоящее время одной из перспективных технологий создания сложнопрофильных поверхностей является технология быстрого прототипирования (RapidPrototypmg - ЯР). Которая основывается на послойном создании физического объекта на основе математической модели. В отличие от традиционных методов производства быстрое прототипирование изделий не предусматривает удаление материала (фрезеровка, сверление, стачивание) или изменение его формы (штамповка, ковка, изгиб, раскатывание). Особенность технологии снимает все ограничения на внутреннюю структуру получаемой модели.

Быстрое прототипирование как технология включает несколько этапов и начинается с создания математической модели изделия, а заканчивается процессом создания готовой модели с использованием одной из возможных методик. Математическую модель можно создать в любой программе трехмерного моделирования и сохранить в одном из форматов *.WRL, *.PLY, *.3DS. После создания модели происходит ее печать на специальном принтере. Однако если существует образец детали, то этап создания математической модели можно опустить, а образец использовать в качестве модели при изготовлении силиконовой оснастки.

Следовательно, имея возможности 3D печати, низкий износ ЭИ в процессе работы и возможность нанесения токопроводящего покрытия на ЭИ, выращенный из нетокопроводя-щих и дешевых материалов, открывается возможность изготовления ЭИ под любую деталь с какой угодно кривизной поверхности.

В качестве примера можно рассмотреть возможность финишной обработки замковой части лопаток рабочего колеса магистрального насоса, проектирование которого осуществляется в рамках проекта, выполняемого совместно ФГБОУ ВГТУ и ОАО "Турбонасос". Особенностью этого проекта является то, что на предприятии создается "Проектно-

технологический комплекс" по договору №1450/300-13 от 24.02.2013 "Создание высокотехнологичного производства магистральных нефтяных насосов нового поколения с использованием методов многокритериальной оптимизации и уникальной экспериментальной базой". В основе этого комплекса лежит идея сквозной проработки конструкции агрегатов и узлов магистральных нефтяных насосов типа МНН со сменными роторами производительностью от 1250 м3/ч до 12500 м3/ч и напором от 210 до 260 м. Работа организуется на базе ПАМ (программно-аппаратных модулей), каждый их которых представляет собой одно или несколько рабочих мест конструкторов-проектировщиков, оснащенных специализированным программным обеспечением.

Конструкция основного рабочего органа (рабочего колеса) прорабатывается в наиболее популярной у инженеров-проектировщиков подобного оборудования САПР ANSYS, позволяющей получать геометрию профиля пера лопатки и рабочего колеса в целом в зависимости от требуемых технических параметров готового изделия. Полученная геометрия характеризует-

ся значительной кривизной и может быть описана кривыми 2-го и 3-го порядка (рис. 3).

£ай ' . • а п- w  . -

Рис. 3. Пример геометрии пера лопатки рабочего колеса МНН, полученной на этапе проектирования в ПАМ "Гидравлика"

В дальнейшем работа с геометрией пера лопатки и собственно рабочего колеса осуществляется в ПАМ-ах "Конструкция", "Механика" и "Сборка". Эти ПАМ-ы организованы на специализированном программном обеспечении Autodesk Inventar Professional, который позволяет разрабатывать "цифровой прототип детали", осуществлять проектирование сборочных и формообразующих операций.

Наличие в Autodesk Inventar Professional встроенного модуля iLogic позволяет существенно повысить уровень автоматизации процесса проектирования инструмента для процесса формообразования, особенно поверхностей со сложной геометрией. Технология iLogic заключается в проектировании на основе правил, устанавливаемых пользователем или проектировщиком. Модуль iLogic внедряет правила в виде объектов непосредственно в деталь, сборку и документы чертежей. Эти правила определяют значения параметров и атрибутов для проекта, а также управляют ими. В частности, к таким параметрам можно отнести величину межэлектродного зазора (МЭЗ) и толщину то-копроводящего покрытия на электроде-инструменте (ЭИ). Управляя этими значениями, можно определять поведение атрибутов, элементов и компонентов модели и проектировать инструмент для формообразования еще на этапе создания собственно цифрового прототипа готовой детали. Значения и правила iLogic сохраняются непосредственно в файле модели и находятся там аналогично тому, как хранятся элементы геометрии проектируемой детали.

В правилах iLogic можно использовать пользовательские типы параметров, которые назначаются конструктором/проектировщиком исходя из конкретных условий проектирования/обработки, причем в качестве входных зна-

чений используются не только численные, но и логические значения.

Эти специализированные параметры поддерживаются в диалоговом окне "Параметры Autodesk Inventor", где содержатся расширенные функции фильтрации, упрощающие определение и редактирование параметров, а также управление ими.

К основным функциям автоматизации iLogic, которые могут быть использованы конструкторами/технологами в указанных ситуациях, относятся:

• автоматический поиск и изменение конфигурации параметрических деталей или сборок на основе условного оператора, определенного в правилах на уровне сборки;

• активизация элементов деталей или сборок, а также компонентов и зависимостей сборок на основе правил с использованием условных аргументов (особенно применимо для случая проектирования ЭИ с целью учета толщины токопроводящего покрытия и величины МЭЗ);

• обновление сведений в спецификации на ЭИ, если изменения модели детали приводят к новой конфигурации ЭИ и соответственно величин МЭЗ и толщин покрытия;

• ограничение или автоматическая коррекция вводимых значений таким образом, чтобы итоговые конфигурации ЭИ были допустимы и соответствовали теоретическим положениям электрических методов обработки.

На основе изложенных выше правил авторами была разработана технология проектиро-

вания электродов-инструментов для финишной обработки "замковой части" лопатки рабочего колеса исходя из его цифрового прототипа и с учетом теоретических положений электрических методов обработки по расчету МЭЗ и толщины токопроводящего покрытия (рис. 4).

Ш ш

Рис. 4. Пример построения геометрии рабочей части электрод-инструмента для финишной обработки замковой части пера лопатки рабочего колеса

Литература

1. Данилевский В.В. Технология машиностроения [Текст]: учебник для техникумов / В.В. Данилевский. - 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1984. - 417 с.

2. Немилов Е.Ф. Электроэрозионная обработка материалов [Текст]: учеб. пособие / Е.Ф. Немилов. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1983. - 160 с.

3. Татаринов Г.К. Справочник слесаря-сборщика [Текст] / Г.К. Татаринов, Н.И. Санжаревский. - Харьков: Прапор, 1978. — 144 с.

4. Кузовкин А.В. Разработка технологии изготовления фасонного инструмента на основе быстрого прототипирования [Текст] / А.В. Кузовкин, А.П. Суворов // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2014. -Т. 10, № 1. - С. 35-37.

5. Технологические возможности комбинированных и аддитивных процессов в формообразовании проточных поверхностей гидрооборудования [Текст] / А.В. Кузовкин, Г.А. Сухочев, А.О. Родионов, А.П. Суворов // Насосы. Турбины. Системы. - Воронеж, 2014. - № 1 (10). - С. 53-60.

Воронежский государственный технический университет

METHOD OF MANUFACTURING COMPLEX-TOOL ELECTRODE TECHNOLOGY

RAPID PROTOTYPING

A.P. Suvorov, A.V. Kretinin, A.V. Kuzovkin

The article describes the design and manufacture of technology tools for electro-processing techniques for using CAD technology and Rapid Prototyping

Key words: electrophysical processing, electromechanical Instrument, Rapid Prototyping