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

Анализ эволюции погрешности формы электродА-инструмента с применением технологий быстрого прототипирования

Авторы: Шумков А.А¹, Абляз Т.Р¹, Кочнева А.А¹, Мальцева Ю.Н¹, Масленникова Н.А¹, Маталасова В.И¹, Попова Е.С¹, Шардина Т.А¹
Учреждения:
1. Пермский национальный исследовательский политехнический университет
Выпуск: Том 19, № 2 (2017)
Страницы: 106-117
Раздел: СТАТЬИ
URL: https://ered.pstu.ru/index.php/mm/article/view/3104
DOI: https://doi.org/10.15593/2224-9877/2017.2.08
Цитировать

Аннотация
Полный текст
Об авторах
Список литературы
Статистика

Аннотация

Повышение эффективности электроэрозионной обработки (ЭЭО) - актуальная задача для ведущих предприятий машиностроительной отрасли. Основные затраты, увеличивающие себестоимость изготовления деталей по технологии ЭЭО, направлены на создание электродов- инструментов (ЭИ), особенно специфической сложной конфигурации с наличием поднутрений, радиусов перехода. Возможным решением данной задачи является развитие альтернативных методов изготовления ЭИ, а именно применение технологий быстрого прототипирования (БП) и литейного производства. Технологии БП позволяют на ранних этапах подготовки производства проанализировать конструкцию будущей детали, внести изменения, подготовить прототип сложной конфигурации мастер-модели ЭИ для литья металла в форму, снизить затраты на изготовление оснастки, приспособлений и механическую обработку. Однако процесс изготовления ЭИ с применением технологий БП и литейного производства обладает недостатками, связанными с нестабильностью размеров при переходе с одного этапа изготовления на другой. Основными причинами нестабильности размеров являются свойства используемых материалов. Накапливающаяся погрешность отклонений на протяжении всего цикла технологического процесса изготовления ЭИ, связанная с усадкой материала, приводит к потере точности конечной детали. Исходя из этого целью исследования является анализ эволюции погрешности отклонений формы ЭИ с возможностью последующего прогнозирования отклонений и введения припусков на усадку при проектировании ЭИ. Программа эксперимента состоит из подготовки компьютерной модели, послойного построения прототипа мастер-модели ЭИ, изготовления отливки ЭИ, измерительного контроля ЭИ на всех этапах производства. Для изготовления прототипа использована SLA-технология (стереолитография), принцип которой заключается в послойном синтезировании фотополимерного материала SI500. Для предотвращения дефектов отливки смоделирована литниковая система и проведен численный анализ заливки металла в форму. По результатам численного расчета в программном комплексе ProCast проблем с проливаемостью формы не обнаружено, усадочная пористость выявлена в литниковой системе, которая не оказывает влияния на целостность отливки ЭИ. По итогам измерительного контроля выявлена погрешность отклонений. Максимальное отклонение отмечено в отливке ЭИ и составляет 7,3 % от заданного размера в компьютерной модели. В результате определена эволюция погрешностей на этапах прототипирования, изготовления восковки и литья металла в форму, что позволит спрогнозировать погрешность и предусмотреть мероприятия по повышению точности отливки ЭИ.

Ключевые слова

электроэрозионная обработка, быстрое прототипирование, электрод-инструмент, фотополимерный материал, послойный синтез, литниковая система, пористость, отклонение размеров, точность, полимеризация, мастер-модель, сложный профиль.

Полный текст

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.

Об авторах