Использование 3D-принтеров для прототипирования деталей изоляторов токосъемных узлов

УДК 621.111:621.3.047

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ 3Б-ПРИНТЕРОВ

ДЛЯ ПРОТОТИПИРОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ ИЗОЛЯТОРОВ ТОКОСЪЕМНЫХ УЗЛОВ

А. А. Маликов, Н.Д. Феофилов, А.В. Сидоркин, Е.С. Янов

Рассмотрено использование 30-принтеров для прототипирования деталей изоляторов токосъемных узлов, предназначенных дляизмерения и регистрации параметров вращающихся объектов технологических систем. Уделено существенное внимание вопросам обеспечения качества получаемых деталей и его влияния на эксплуатационные характеристики кольцевых переходников.

Ключевые слова: изолятор, конструкция, токосъем, слаботочный сигнал, 3D-принтер, эксперимент, технологическая оснастка.

Изучение процессов, протекающих в технологических системах, требует создания разнообразных конструкций токосъемных узлов и кольцевых переходников, посредством которых осуществляется передача слаботочных электрических сигналов от датчиков, установленных на вращающихся элементах, к преобразующей и регистрирующей аппаратуре. Зачастую требуется одновременное проведение измерений нескольких параметров вращающихся объектов технологических систем. Следовательно, измерения осуществляются при помощи нескольких датчиков, сигнальные цепи которых имеют между собой гальваническую развязку и не должны иметь контакта с «землей», т.е. изолированы.

Токосъемный узел кольцевого переходника оснащен посадочной цилиндрической поверхностью, позволяющей производить установку нескольких токосъемных колец в сборе с изоляторами, а также иметь паз-канавку для размещения проводов, идущих от датчиков к токосъемным кольцам. Фрагмент эскиза, иллюстрирующий его конструкцию [1], показан на рис. 1, а. Основной деталью конструкции является изолятор, представляющий собой втулку из диэлектрического материала и имеющую буртик для установки токосъемного кольца. Эскиз, иллюстрирующий конструкцию изолятора, представлен на рис. 1, б. К изоляторам предъявляются следующие требования [2]:

а) буртик изолятора должен обеспечивать установку токосъемного кольца на изолятор с небольшим натягом, допускающим клеевое соединение;

б) торцевое биение кольца в сборе с изолятором не должно превышать 0,2 мм, а радиальное - 0,15 мм;

в) изолятор должен обеспечивать электрическую прочность;

г) обладать достаточной механической прочностью;

д) обеспечивать неизменность физико-механических свойств под влиянием окружающей среды, СОЖ и СОТС;

е) обладать достаточной теплостойкостью.

а

б

Рис. 1. Токосъемный узел: а - конструкция; б - изолятор

Изготовление малогабаритного изолятора, выполненного, например, из капролона или схожего материала, путем механической обработки, трудоемко и зачастую связано с трудностями из-за механических свойств материала и геометрических размеров детали.

Высокотехнологичным способом изготовления рассматриваемых изоляторов является их печать на ЭБ-принтере, использующем метод послойного создания физического объекта по цифровой ЭБ-модели. В зарубежной литературе [Э, 4] этот тип устройств также именуют фабберами, а процесс трехмерной печати - быстрым прототипированием. Профессиональный высокопроизводительный принтер DimensionSST 1200ES (рис. 2) осуществляет процесс печати с помощью расплавленного пластика (FDM) и растворимой поддержки (SST).

Раздаточная головка принтера выдавливает на печатный столик капли разогретого термопластика. Капли застывают и слипаются друг с другом, формируя слои будущего изолятора. Для производства ЭБ-моделей используется термополимер ABSplus, обладающий высокой прочностью и стабильными свойствами. Прочность термополимера на разрыв достигает 37 МПа. Он устойчив к температурам до 80 °С и не растворяется в воде. Такие свойства позволяют при высокой точности печати, которую обеспечивает толщина слоя в 0,254 мм, получать детали, исключающие последующую механическую обработку. Однако при необходимости индивидуальной пригонки комплекта «кольцо-изолятор», поверхности изолятора легко до-

рабатываются слесарными методами. Рассматриваемый материал позволяет получать высокое качество поверхности детали и обеспечивает хорошие клеящие свойства, что необходимо для надежного соединения изолятора с токосъемным кольцом.

а

б

Рис. 2. Принтер Dimension SST1200ES: а - общий вид; б - рабочая камера во время печати: 1 - раздаточная головка; 2 - термополимер;

3 - поддержка; 4 - печатный столик

В комплекте с принтером поставляется специальное программное обеспечение CatalystEX, позволяющее управлять параметрами печати. Оно оптимизирует следующие параметры печати:

а) расположение прототипа в рабочей камере;

б) расчет объема рабочего материала;

в) выстраивание модели поддержки;

г) расчет времени печати.

Чертеж детали в может быть разработан в одной из CAD/CAM систем, например, MastercamDesign. Графическая 3Б-модель является, при этом основой создания изолятора. Модель сохраняется в формате .STL. Файл импортируется в CatalystEX. В программе CatalystEX выбирается расположение детали на печатном столике, ориентация, тип и расположение поддержки, качество печати, количество копий модели, траектория печати и создается файл формата .CMB. Эта процедура выполняется автома-

тически с помощью программного обеспечения, входящего в комплект поставки. Файл .CMB по умолчанию сохраняется в том же каталоге, что и файл .STL - имя по умолчанию будет таким же. Этот файл транслируется на ЭБ-принтер и может быть запущен процесс печати модели.

Процесс прототипирования не требуется наличия специальных условий в рабочем помещении, поскольку ЭБ-принтер не выделяет вредных испарений, химических веществ или отходов, нет необходимости в постоянном контроле печати оператором.

После завершения печати изолятора (рис. Э, а), принтер формирует соответствующее сообщение для оператора и переходит в режим ожидания для охлаждения напечатанных изоляторов.

Напечатанные изоляторы (рис. Э, б) отделяются от печатного столика. Вымываются элементы поддержки в специальном водном растворе в ультразвуковой ваннепри температуре 66 - 71 °С. Технология, использующая водорастворимую поддержку, носит название Water Works.

Простота технологии моделирования прототипов позволяет затрачивать на их изготовление считанные часы (в зависимости от размеров получаемых изделий). После окончания процесса моделирования и печати изделие можно сразу использовать. Изготовленные изоляторы получаются гладкими и чистыми, без рисок и царапин, с сохранением мельчайших деталей.

Печать комплекта изоляторов из четырех штук (рис. Э, в) заняла около трех часов. Полученные объекты обладают высоким качеством поверхности и точности геометрических размеров, что позволило избежать последующей доработки. Назначенные по чертежу отклонения не превышают допустимых значений.

Работоспособность конструкции токосъемного узла проверена на установке по измерению составляющих сил резания при зубофрезеровании цилиндрических колес сборными червячными фрезами. Через токосъем-ный узел происходит подключение двух тензорезисторных полумостов динамометра УДМ-1200, смонтированного на вращающемся столе универсального зубофрезерного станка 5КЭ2А [5, 6]. Такая конструкция также может использоваться на зубофрезерных станках с ЧПУ. В рассматриваемой установке работа токосъемного узла происходит на малых частотах вращения стола и зависит от числа зубьев нарезаемого колеса и числа заходов фрезы [7]. Испытания проводились при частоте вращения 2,6 мин-1.

Идентичный узел использовался при проведении экспериментальных исследований комбинированного (режуще-деформирующего) процесса чистовой зубообработки цилиндрических колес шевингованием-прикатыванием [8, 9]. Здесь требовалось проведение измерений температуры в двух диаметрально противоположных точках инструмента при по-

мощи двух плоских термометров сопротивления так, чтобы в процессе непрерывной регистрации температуры полностью отсутствовала гальваническая связь между двумя двухпроводными каналами измерния и «землей». При этом оправка с токосъемным узлом вращалась в обоих направлениях с частотой порядка 250 мин-1.

б в

Рис. 3. Изолятор:а - изоляторы на печатном столике по завершении

печати; б - изолятор в комплекте с токосъемным кольцом; в - токосъемный узел в сборе

Экспериментальные результаты проверки работы токосъемных узлов с изоляторами, полученными ЭБ-печатью, для малых и средних частот вращения, подтвердили соответствие их техническим требованиям, предъявляемым к подобным изделиям, и высокое качество работы.

Список литературы

1. Сидоркин А.В. Экспресс-метод и технические средства для определения качества передачи слаботочного электрического сигнала через кольцевые переходники // Известия Тульского государственного университета. Тула: Изд-во ТулГУ, 201Э. Вып. 6. Ч. 2. С. 115 - 125.

2. Зедгинидзе Г.П. Измерение температуры вращающихся деталей машин. М.: Государственное научно-техническое изд-во машиностроительной литературы, 1962. 272 с.

3. Слюсар В.И. Фаббер-технологии. Новое средство трехмерного моделирования // Электроника: наука, технология, бизнес. 200Э. № 5. С. 54 - 60.

4. Слюсар В.И. Фабрика в каждый дом // Вокруг света. № 1 (2808). 2008. C. 96 - 102.

5. Адам Я.И. Силы резания и мощности при зубофрезеровании // Сб.: Исследования в области обработки металлов резанием. М.: Машгиз, 1957. 82с.

6. Феофилов. Н.Д., Янов Е.С. Установка для проведения силовых исследований операции зубофрезерования // Известия Тульского государственного университета. Тула: Изд-во ТулГУ, 2014. Вып. 11: в 2 ч. Ч. 1. С.184 - 189.

7. Кинематика червячного зубофрезерования / В.Н.Скрябин, А.П.Тимофеев, Н.Д.Феофилов, Е.С.Янов // Известия Тульского государственного университета. Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. Вып. 4: в 2 ч.Ч. 1. С. 58 - 68.

8. Маликов А.А., Сидоркин А.В., Ямников А.С. Динамические характеристики шевингования-прикатывания цилиндрических колес с круговыми зубьями // Технология машиностроения. 2012. № 2. С.19-2Э.

9. Сидоркин А.В., Маликов А.А. Экспериментальное исследование тепловыделения в процессе шевингования-прикатывания цилиндрических зубчатых колес // СТИН. 2015. №2. С. 28-ЭЭ.

Маликов Андрей Андреевич, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, andrej-malikov@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Феофилов Николай Дмитриевич, д-р техн. наук, проф., feofilovnd@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Сидоркин Андрей Викторович, канд. техн. наук, инженер-исследователь, alan-a@,mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Янов Евгений Сергеевич, асп., dex aikarambier.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

USE 3D-PRINTPROTOTYPING INSULATORS COLLECTOR PARTS UNITS

A.A. Malikov, N.D. Feofilov, A.V. Sidorkin, E.S. Yanov

We consider the use of 3D-printers for prototyping parts insulators current collector assemblies for measuring and recording of parameters rotating objects of technological systems. Paying considerable attention to ensuring the quality of the parts and its impact on operational characteristics of ring adapters.

Key words: insulator structure, current collector, the signal, 3D-printer, experiment, industrial equipment.

Malikov Andrey Andreevich, doctor of technical sciences, professor, head ofchair, andrej-malikov@yandex. ru, Russia, Tula State University,

Feofilov Nikolai Dmitrievich,doctor of technical sciences, professor, feofi-lovnd@yandex. ru, Russia, Tula State University,

Sidorkin Andrey Victorovich, candidate of technical sciences, docent, alan-a@mail.ru, Russia, Tula State University,

Yanov Evgenij Sergeevich, postgraduate, dex_aik@ram bler. ru, Russia, Tula State University

УДК 539.374; 621.983

ПРЕДЕЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ДЕФОРМИРОВАНИЯ НА ПЕРВОЙ ОПЕРАЦИИ ВЫТЯЖКИ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ДЕТАЛЕЙИЗ АНИЗОТРОПНЫХ МАТЕРИАЛОВ

В.Ю.Травин, В.И. Платонов, А. А. Пасынков

Приведены результаты теоретических исследований предельных возможностей деформирования на первой операции изотермической вытяжки осесимметрич-ных деталей в условиях ползучего течения анизотропного материала. Оценено влияние анизотропии механических свойств, технологических параметров, геометрических размеров детали и скорости перемещения пуансона на предельные возможности деформирования.

Ключевые слова: изотермическая вытяжка, анизотропия, температура, радиальная матрица, коническая матрица, пуансон, сила, деформация, ползучесть, напряжение, разрушение.

Совершенствование конструкций изделий ответственного назначения определяет применение высокопрочных материалов и изготовление деталей со специальными, зависящими от условий эксплуатации, характеристиками. К числу наиболее перспективных и принципиально новых технологических процессов, направленных на совершенствование современного производства, относится медленное горячее формоизменение высокопрочных листовых заготовок. В основу процессов положена способность материалов в определенных температурно-скоростных условиях к вязкому течению материала, что обеспечивает большие конечные деформации при сравнительно малых внешних сил и высокую точность получаемых геометрических форм [1-4].

Листовой материал, подвергаемый штамповке, как правило, обладает анизотропией механических свойств, обусловленной маркой материала, технологическими режимами его получения, которая может оказывать