Analysis of the evolution of the error in the shape of the electrode-tool with the use of rapid prototyping technologies

A. A Shumkov; Шумков А. А; T. R Ablyaz; Абляз Т. Р; A. A Kochneva; Кочнева А. А; Iu. N Mal'tseva; Мальцева Ю. Н; N. A Maslennikova; Масленникова Н. А; V. I Matalasova; Маталасова В. И; E. S Popova; Попова Е. С; T. A Shardina; Шардина Т. А

doi:10.15593/2224-9877/2017.2.08

Analysis of the evolution of the error in the shape of the electrode-tool with the use of rapid prototyping technologies

Authors: Shumkov A.A¹, Ablyaz T.R¹, Kochneva A.A¹, Mal'tseva I.N¹, Maslennikova N.A¹, Matalasova V.I¹, Popova E.S¹, Shardina T.A¹
Affiliations:
1. Perm National Research Polytechnic University
Issue: Vol 19, No 2 (2017)
Pages: 106-117
Section: ARTICLES
URL: https://ered.pstu.ru/index.php/mm/article/view/3104
DOI: https://doi.org/10.15593/2224-9877/2017.2.08
Cite item

Abstract
Full Text
About the authors
References
Statistics

Abstract

Increasing the efficiency of electroerosion processing (EDM) is an urgent task for the leading enterprises of the machine-building industry. The main costs that increase the cost of manufacturing parts using EEE technology are aimed at the creation of electrodes - instruments (EI), especially a specific complex configuration with the presence of undercuts, transition radii. A possible solution to this problem is the development of alternative methods of manufacturing EI, namely the use of rapid prototyping (BP) technologies and foundry. BP technologies allow to analyze the design of the future part, make changes, prepare a prototype of the complex configuration of the master EI model for casting the metal in the mold, reduce the costs of tooling, tools and machining in the early stages of production preparation. However, the process of manufacturing EI with the use of technologies of the BP and foundry has the disadvantages associated with the instability of the dimensions during the transition from one manufacturing stage to another. The main reasons for the instability of dimensions are the properties of the materials used. Accumulating error of deviations throughout the whole process cycle of manufacturing EI, associated with the shrinkage of the material, leads to loss of accuracy of the final part. Therefore, the purpose of the study is to analyze the evolution of the deviation error in the shape of the EI with the possibility of subsequent prediction of deviations and the introduction of allowances for shrinkage in the design of EI. The program of the experiment consists of: preparation of the computer model, layered construction of the prototype master EI model, manufacturing of the EI casting, measuring control of the EI at all stages of production. For the prototype, SLA technology (stereolithography) is used, the principle of which is the layer-by-layer synthesis of photopolymer material SI500. To prevent casting defects, a gate system was modeled and a numerical analysis of the metal casting in the mold was carried out. Based on the results of numerical calculations in the ProCast software complex, there was no problem with spillage, shrinkage porosity was detected in the gating system, which does not affect the integrity of the EI casting. Based on the results of the measurement control, an error of deviations was detected. The maximum deviation is found in the casting of the EI and is 7.3% of the given size in the computer model. As a resul5214t, the evolution of errors at the stages of prototyping, fabrication of a wax and casting of metal into a mold is determined, which will predict the error and provide for measures to increase the accuracy of casting EI.

Keywords

EDM, rapid prototyping, electrode-tool, photopolymer material, layer-by-layer synthesis, gating system, porosity, dimensional deviation, accuracy, polymerization, master model, complex profile.

Full Text

Введение Ведущие мировые предприятия машиностроительной отрасли, такие как компании Rolls Royce, General Electric, АО «ОДК - Пермские моторы» и др., используют технологии электроэрозионной обработки (ЭЭО) в технологических циклах производства выпускаемой продукции. Одним из сдерживающих факторов эффективного распространения и применения ЭЭО в технологических процессах производства является ограничение возможности изготовления сложнопрофильных электродов-инструментов (ЭИ) цельной конструкции. При традиционном способе изготовления ЭИ методами механической обработки сложный профиль ЭИ формируется из нескольких частей, которые поочередно фрезеруются и доводятся до заданных параметров точности и шероховатости. При данном способе 60 % стоимости технологического процесса ЭЭО составляет изготовление ЭИ. Трудоемкость процесса и материальные затраты возрастают с увеличением сложности конструкции требуемой детали [1-5]. Альтернативным способом изготовления ЭИ и повышения экономической эффективности ЭЭО является применение методов быстрого прототипирования (БП) с последующим процессом литья металла. Технология БП позволяет изготавливать сложные по конфигурации прототипы изделий, которые используются как функциональные прототипы и мастер-модели для литейного производства. Снижение экономических затрат, изготовление ЭИ с профилем любой сложности обусловливают целесообразность применения технологий БП. Цикл изготовления ЭИ с применением технологии БП и литейного производства сопровождается возникновением погрешностей размеров, связанных с усадочными процессами используемых материалов [6-9]. Изучение и прогнозирование отклонений с целью повышения точности воспроизведения сложнопрофильных ЭИ является актуальной задачей [10-13]. Цель работы - изучить и проанализировать эволюциюпогрешности формы сложнопрофильного ЭИ, изготовленного с применением технологии БП и литейного производства. Материалы и методы исследования Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: 1. Построение компьютерной модели (CAD) модели ЭИ и литниковой системы для литья металла в гипсовую форму. 2. Построение функциональной мастер-модели по технологии БП. 3. Измерение и изучение отклонений профиля прототипа ЭИ. 4. Изготовление восковки и измерительный контроль отклонений профиля ЭИ. 5. Изготовление гипсовой формы, вытопка воска, прокалка и заливка металла с последующим измерительным контролем профиля металлической отливки ЭИ. В качестве технологии БП для создания функционального прототипа ЭИ использована технология стереолитографии (SLA) компании Envisiontec. Суть технологии заключается в послойном синтезировании фотополимерного материала SI500. Таким образом, в поверхностном слое возникает реакция полимеризации, и материал затвердевает под действием УФ-излучения. Основное отличие от классической SLA-технологии заключается в создании маски изображения всего сечения выращиваемого прототипа. После определенного времени засветки сечения модели платформа, на которой формируются слои, опускается вниз на толщину следующего слоя, и процесс повторяется до полного выращивания прототипа. Построенный прототип ЭИ из фотополимерного материала представлен на рис. 1. Рис. 1. Прототип ЭИ, изготовленный с применением SLA-технологии На основе изготовленного прототипа ЭИ формируется модельный комплект из литейного воска, в который входят литьевая модель ЭИ и литниково-питающая система (ЛПС). Для предотвращения возникновения дефектов на этапе заливки формы металлом предварительно смоделирована и рассчитана ЛПС. С помощью программного комплекса ProCast проведен численный анализ процесса заливки ЭИ. В подготовленную металлическую опоку устанавливается модельный комплект и заливается формовочным материалом (гипс). После затвердевания из формы вытапливается модельный комплект и проводится прокалка до температуры 750 °С. Для плавки металла используется индукционная тигельная печь. Заливка производится в подогретую форму с температурой 450 °С). После затвердевания металла готовую отливку извлекают из формы (рис. 2). В качестве материала отливки ЭИ использован сплав латуни ЛЦ40С. Измерение прототипа, восковки и отливки производилось на координатно-измерительной машине Contura Carl Zeiss G2 [14]. Для изучения эволюции погрешности выбраны рабочие плоскости ЭИ, участвующие в процессе ЭЭО. В качестве измерения и оценки погрешности формы ЭИ выбраны следующие контролируемые параметры: 1. Неплоскостность (плоскость 1, плоскость 2, плоскость 3). 2. Неперпендикулярность (плоскость 1 и плоскость 3, плоскость 1 и плоскость 4). 3. Непараллельность (плоскость 3 к плоскости 4). 4. Расстояние между плоскостями 3. Обозначения измеряемых плоскостей показаны на рис. 3. Рис. 3. Схема измерения контролируемых показателей точности на этапах изготовления ЭИ Плоскость 2, которая находится параллельно плоскости 1, в контроле измеряемых показателей точности не участвует. В данной конфигурации ЭИ рабочими участками являются плоскости 1, 3, 4. Результаты исследования Для снижения дефектов на этапе заполнения формы и при кристаллизации металла произведен численный анализ заливки в программном комплексе ProCast. Результаты распределения температурных полей и кристаллизация металла в определенный момент времени показаны на рис. 4. а б в г д Рис. 4. Распределение температурных полей и кристаллизация металла в отливке ЭИ в момент времени: а - 1 с; б - 2 с; в - 3 с; г - 14 с; д - 98 с Заполнение формы расплавов начинается снизу, металл через щелевидный питатель заполняет менее массивную часть отливки ЭИ, поднимаясь вверх к прибыли. Данный тип ЛПС способствует благоприятному удалению газа и препятствует образованию усадочных пор в теле отливки. Распределение пор в теле отливки ЭИ представлено на рис. 5. По рис. 5 видно, что основное скопление пористости сосредоточено в прибыли отливки и в ЛПС. Дефект не затрагивает ответственную часть отливки ЭИ, обеспечивая качество поверхности и плотность металла. Рис. 5. Распределение пористости в теле отливки ЭИ По результатам эксперимента по изготовлению ЭИ с использованием SLA-технологии и литья металла в форму получены отливка, прототип мастер-модели и восковка. По программе эксперимента произведены измерения и анализ геометрических параметров исследуемых объектов. Результаты измерений представлены в таблице. При анализе результатов измерений следует отметить изменение геометрических параметров ЭИ при прохождении всех этапов технологического процесса. Уменьшение значений неплоскостности, непараллельности, неперпендикулярности и расстояния между плоскостями свидетельствует об изменении свойств используемых материалов, а именно наличии усадки. Результаты измерений ЭИ Измеряемые поверхности Параметры, мм Мастер-модель Восковая модель Металлическая отливка Неплоскостность Плоскость 1 0,2319 0,1276 0,1355 Плоскость 3 0,1030 0,0996 0,0294 Плоскость 4 0,2316 0,1212 0,1038 Неперпендикулярность Плоскость 1 и 3 0,1582 0,3661 0,2100 Плоскость 1 и 4 0,3809 0,1408 0,2006 Непараллельность Плоскости 3 к 4 0,3368 0,4920 0,4714 Расстояние между плоскостями 3 и 4 7,8841 7,2956 7,1277 При моделировании ЭИ заданное расстояние между плоскостями 3 и 4 составляло 7,68 мм. При изготовлении прототипа мастер-модели по SLA-технологии отклонение от заданного размера составило 2,6 % в размере 0,2 мм. Данное отклонение удовлетворяет точности технологии, которое составляет от ±0,05 до ±0,1 мм на 2,54 см3. Объем прототипа мастер-модели составляет 53 см3. Отклонение восковки от компьютерной модели составляет 5 %. Дополнительную усадку на восковку оказывает используемый для формы силикон. Отклонение отливки ЭИ от компьютерной модели составляет 7,3 %. Результаты исследования показывают возможность прогнозирования эволюции отклонений от этапа моделирования компьютерной модели до конечного продукта. Для снижения отклонений в отливке ЭИ необходимо на этапе моделирования отливки предусмотреть припуски на усадку материалов, используемых в технологическом процессе изготовления сложнопрофильного ЭИ, и обеспечить использование материалов с минимальной усадкой.

About the authors