Методическое пособие 778

плёнка сохраняется на поверхности после завершения процесса приработки при всех условиях эксперимента [2].

Кривые линейного износа поверхностей валов и вкладышей на графиках рис. 3 аппроксимируются параболической зависимостью h = αLβ (мкм), где α и β – коэффициенты параболической аппроксимации, которые можно определить методом наименьших квадратов [2].

Рис. 3. Зависимости линейного износа h01 валов (1, 3, 5, 7) и значений коэффициента трения f (2, 4, 6, 8) от длины L01 пути трения для разных условий эксперимента и микрофотографии поверхностей трения валов в начале и конце приработки:

кривые 1, 2 – опыт № 4; кривые 7, 8 – опыт № 12

Изменение режимов обработки поверхностей на операциях чистового точения и алмазного выглаживания позволяет управлять параметрами эксплуатационного микропрофиля (рис. 4) и создавать на поверхности относительно глубокие регулярные впадины (карманы), которые способствуют удалению из зоны контакта поверхностей трения продуктов изнашивания и сохранению материала приработочной плёнки.

Рис. 4. Эксплуатационные микропрофили поверхностей:

а – ST = 0,15 мм/об; QАВ = 300 Н; б – ST = 0,05 мм/об; QАВ = 100 Н

После обработки экспериментальных данных построены модели форми-

80

рования триботехнических характеристик [2]:

где Yi – i-ая триботехническая характеристика; K1 – коэффициенты, учитывающие способ формирования мягкой приработочной пленки на поверхности трибоэлемента; K2 – материал вкладыша; bi – коэффициенты модели.

В табл. 1 представлены коэффициенты моделей (1) и расчётные значения

критерия Фишера Fрасч. Сравнение критерия Fрасч со значением Fтабл = 6,59 при уровне значимости α = 0,05 свидетельствует об адекватности моделей [2].

Таблица 1 Параметры моделей формирования триботехнических характеристик [2]

После проведения методом статистических испытаний Монте-Карло машинных экспериментов над моделями (1) были получены значения вероятности технологического обеспечения триботехнических характеристик, а также интервалы их обеспечения при заданных ограничениях значений управляющих факторов [2]. На рис. 5 представлена графическая интерпретация результатов расчётов.

Рис. 5. Вероятность технологического обеспечения триботехнических характеристик в центре факторной области в зависимости от величины δ и диаграммы их варьирования

81

Результаты показали, что за счёт изменения технологических факторов обработки валов и факторов последующей приработки можно изменять значения рассматриваемых триботехнических характеристик в достаточно широких пределах и с весьма высокой надёжностью.

С наибольшей вероятностью обеспечивается отношение f1/f0, с наименьшей – интенсивности износа I1 и I2. Высокую вероятность обеспечения имеет коэффициент трения после приработки – при δ = 0,1 P = 0,76. Аналогичные результаты были получены для параметров эксплуатационной шероховатости [2].

Оценивалась степень влияния управляющих факторов на процесс формирования триботехнических характеристик построением диаграмм Парето. Установлено, что на износостойкость поверхности вала наибольшее влияние оказывают режимы выглаживания QАВ, VАВ, SАВ, скорость V точения композитом 10, и величина погонной нагрузки P на сопряжение. Для снижения значений коэффициентов трения f0, f1 процесс приработки следует осуществлять с максимально допустимой скоростью Vс относительного скольжения вала и вкладыша. Увеличение жёсткости j ТС точения композитом 10 приводит к увеличению коэффициентов трения.

Также определена последовательность управляющих факторов по степени убывания значимости их влияния на формирование показателей износостойкости, начиная с наиболее эффективного: ∆Р → Vпр → Мпп → SАВ → SТ → QАВ →

j → VТ → Мв → t → Pпр → VАВ. Первое место фактора ∆Р указывает на то, что приработку соединения предпочтительно проводить при воздействия управ-

ляемых динамических нагрузок.

Результаты проведенных исследований позволили оценить технологические возможности исследуемой комбинированной антифрикционной обработки по обеспечению требуемых значений ПКПС и ПЭС и надежность их формирования для различных условий. Полученные модели позволяют прогнозировать указанные параметры при известных условиях обработки с достаточной для практических целей точностью.

Литература

1.Технологическое обеспечение и повышение эксплуатационных свойств деталей и их соединений / А.Г. Суслов, В.П. Федоров, О.А. Горленко [и др.]; под общ. ред. А.Г. Суслова. – М.: Машиностроение. 2006. – 447 с.

2.Нагоркин М.Н. Параметрическая надежность технологических систем чистовой и отделочно-упрочняющей обработки поверхностей деталей машин инструментами из сверхтвердых синтетических материалов. Монография. / Под ред. А. В. Киричека. – М.: Издательский дом «Спектр», 2017. – 304 с.

3.Федоров, В. П. Диагностика технологических систем по надежности обеспечения заданных параметров качества обрабатываемых поверхностей деталей / В. П. Федоров, А. Г. Суслов, М. Н. Нагоркин // Наукоемкие технологии

вмашиностроении. – 2020. – № 1 (103). – С. 15-24.

Брянский государственный технический университет

82

УДК 621.9.048.7

Д.А. Голобурдин, А.М. Козлов АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ

ВСОВРЕМЕННОМ СТАНКОСТРОЕНИИ

Встатье проведён анализ основных технологий изготовления деталей посредством трёхмерного, послойного выращивания, рассмотрены их особенности. Рассмотрены основные виды материалов, применяемых в наиболее доступной разновидности аддитивных технологий - FDM (Fused Deposition Modeling - моделирование методом наплавления) печати. Описаны примеры применения аддитивных технологий в современном станкостроении в конкретных условиях. Выявлены основные преимущества использования трёхмерной печати

всравнении с традиционными методами изготовления деталей машин, в условиях мелкосерийного и единичного типов производств. Представлены перспективы развития аддитивных технологий в инструментальном производстве

Ключевые слова: аддитивные технологии, трёхмерная печать, станкостроение, инструментальное производство

Современный отечественный станкостроительный рынок состоит, в основном, из импортного оборудования, тогда как отечественные станки только начинают с ним конкурировать. В этих условиях от производителя требуется максимально быстрое проектирование и внедрение конструкций станков, как абсолютно новых, так и основывающихся на базах универсального оборудования. Расширение технологических возможностей станков ведется, как правило, на основе использования систем ЧПУ, которые простым инструментом позволяют обрабатывать поверхности сложной конфигурации [1, 2].

В нынешнем производстве, работающим в условиях быстрой смены номенклатуры, возникают различные трудности, связанные как со стоимостью производства опытных образцов, так и с затратами времени, необходимым для их изготовления.

Возникающие проблемы может решить внедрение в процесс проектирования и производства новых, современных технологий получения деталей, а именно технологий послойного наращивания материала – 3D-печати.

Технология объёмной «трёхмерной» печати зародилась в 80-х годах двадцатого века, с разработкой компанией 3D Systems первой коммерческой стереолитографической машины – Stereolithography Apparatus в 1986 году. С тех пор технология 3D-печати имеет как бытовое, так и промышленное применение, и с каждым годом лишь совершенствуется.

Общей классификации данная технология не имеет, однако условно её можно подразделить по различным признакам, например, по способу формирования слоя, по способу фиксации слоя, по применяемым материалам, по виду формообразующей технологии, по виду энергии, фиксирующей новообразованный слой и т.д.

83

В самом общем случае технологии можно разделить на два вида – это bed deposition и direct deposition [3-4].

Bed deposition (bed – постель (в данной случае подразумевается плоскость построения модели, то есть формируемый слой), deposition - осаждение) технология 3D-печати, при которой изначально формируется слой построения, путём дозированной подачи и разравнивания строительного материла, с помощью специального ролика, либо «ножа», с последующим селективным скреплением материала, в области формирования модели, за счёт подачи в зону печати энергии (тепловой, световой) или связывающего материала (клея).

Схема технологии bed deposition представлена на рис. 1.

Основная область применения данной технологии – это изготовление деталей сложных форм из металлических порошков, преимущественно в наукоёмких отраслях - авиакосмическая, энергетика, а также медицина. На рис. 2 представлены примеры деталей, изготовленных по данной технологии.

Основные преимущества данной технологии – это низкая себестоимость одной детали, высокая скорость изготовления, а также точность получения сложной геометрии поверхности детали. Первое преимущество строится на отсутствии необходимости комплексной подготовки производства для запуска пробной (экспериментальной), либо мелкой партии деталей. Нет необходимости в проработке и изготовлении сложного инструмента и оснастки, а также большого расхода материла на последующей механической обработке.

Рис. 1. Схема реализации технологии bed deposition:

1 – лазерная головка; 2 – система линз; 3 – система зеркал; 4 – лазерный луч; 5 – плоскость построения; 6 – формируемая модель; 7 – платформа построения модели; 8 – механизм подачи модели; 9 – направление подачи модели; 10 – направление подачи материала; 11 - механизм подачи материала; 12 – платформа подачи материала; 13 – строительный материал; 14 – разравнивающий ролик

(разравнивающий нож); 15 – направление подачи ролика и материала

84

Рис. 2. Пример детали "фильтрующий элемент" (слева) и «Лопатка сопловая двигателя ПД-35», напечатанные с помощью технологии bed deposition

Скорость изготовления детали обусловлено отсутствием длинных и сложных технологических цепочек, так как основная геометрия получается сразу в процессе печати, требуя лишь операции финишной обработки, например шлифования, для формирования необходимых параметров поверхностного слоя детали.

Direct Deposition (прямое осаждение) – технология 3D-печати, при которой строительный (модельный) материал, как и энергия (связующее вещество), подаются непосредственно в зону формирования детали.

Схема технологии direct deposition представлена на рис. 3.

Данный вид технологии применяется наиболее широко - от изготовления предметов быта, до промышленного применения в изготовлении деталей, модельной оснастки, макетов и экспериментальных образцов. Основным преимуществом технологии является её доступность, что позволяет оснастить любое конструкторское бюро устройством, например, FDM печати, что в значительной степени ускорит процесс прототипирования новых, экспериментальных образцов деталей и узлов.

В соответствии с основной технологией (direct deposition, bed deposition) рассмотрим материалы, применяемые в трёхмерной печати, используемые в наиболее доступных видах аддитивных технологий, таких как FDM - (Fused Deposition Modeling) – печать, в которой для создания изделия использует расплавленный пластик, и SLA печать, при котором изделие формируется послойным отверждении жидкого материала (фотополимера) под действием луча лазера.

Для FDM-печати, основой которой является подача материала в зону печати экструзионным способом, применяются следующие виды материалов

(пластиков): ABS, PLA, HIPS, PETG, SBS, TPU (Flexible), Nylon, PC, Woodfill, Bronzefill, BioFila, Conductive, Magnetic, Ceramo, Carbon Fiber, Wax, ASA, PP,

85

POM, PMMA, PEEK и так далее, список дополняется постоянно разрабатываемыми новыми видами материалов.

Рис. 3. Схема реализации технологии direct deposition

1 – бокс с модельным материалом; 2 – печатающая головка; 3 – зона построения модели; 4 – формируемая модель; 5 – платформа (плоскость) построения; 6 – сопло экструдера; 7 – источник энергии; 8 – механизм подачи модельного материала (экструдер); модельный материал; 10 – оси перемещений плат-

формы и печатающей головки

Такие материалы поставляются в виде прутка стандартного диаметра - 1,75 мм. Такой диаметр обеспечивает качественную подачу материала, а также технологичность современных конструкций, а именно уход от громоздких компоновок экструдеров при использовании прутка диаметром 3 мм.

В станкостроительной отрасли для 3D печатииспользуются следующие материалы - ABS, PETG, Flexible, Nylon, PC, Carbon Fiber, Wax, POM, PEEK, HIPS.

Основные характеристики некоторых из таких материалов представлены в табл.

Анализ данных, представленных в табл., показывает, что пластики ABS, PETG, Nylon подойдут для различных вставок, распределительных коробок, рукояток, упоров, шкивов и т.п.

В станкостроении, в условиях мелкосерийного производства, при обработке внутренних отверстий ответственных деталей малых диаметров, предъявляются высокие требования к режимам обработки на финишных операциях (шлифовании). При низких частотах вращения шлифовальный инструмент (шлифовальная головка) будет “выглаживать” материал вместо процесса резания, а при высоких частотах наблюдаются высокие тепловые нагрузки в зоне

86

обработки. Это приводит появлению различных дефектов, что, в условиях жёстких допусков на обрабатываемые поверхности, неизбежно будет приводить к неисправимому браку. Для чёткого регулирования частоты вращения внутришлифовальной головки, на универсальном металлообрабатывающем оборудовании, необходимо точно рассчитать передаточное число в системе ведущего и ведомого шкивов, конструкция которых представлена на рис. 4.

Однако, учитывая большое количество факторов, влияющих на процесс шлифования, подбор необходимого диаметра шкива, с учётом времени на его изготовления, может сильно снизить общую производительность.

Таблица Основные характеристики модельных материалов FDM-печати

Рис. 4. Деталь типа "шкив ведомый"

а) – ведомый шкив внутришлифовального приспособления; б) – внутришлифовальное приспособление,

вкоторое входит деталь "шкив ведомый"

Сприменением трёхмерной печати, используя, например, пластик Nylon, воспринимающий высокие динамические нагрузки, можно изготовить ведомые шкивы различных типоразмеров, очень точно подобрав передаточные числа для обеспечения необходимых режимов резания. В сравнении с традиционным методом изготовления шкивов, трёхмерная печать позволит увеличить производительность за счёт снижения штучного времени. Производственный опыт показал, что в среднем на изготовление шкива по традиционной технологии, с учётом всех технологических операций, уходит около 5 нормо-часов, в зависимости от сложности изготовления. Для сравнения, трёхмерная печать позволит сократить это время в среднем на 1-2 часа, при этом на рабочем столе принтера можно разместить несколько типоразмеров деталей.

Применение трёхмерное печати позволит снизить расход материала, так как коэффициент использования материала значительно выше, чем при изготовлении традиционным методом резания, снизить трудоёмкость, ввиду отсутствия необходимости в сложной настройке инструментов на размер, а также выверки заготовки и т.д.

Для изготовления узлов станков, основанных на трении скольжения, осуществляющих, например малые перемещения, либо имеющие непостоянный характер работы, такие как настроечные перемещения шлифовальной бабки внутришлифовального станка, продольные и поперечные перемещения механизмов правок шлифовального круга, перемещение задней бабки токарных (шлифовальных) станков, перемещения люнетов токарных (шлифовальных) станков и т.д., целесообразно применение пластиков с низким коэффициентом

88

трения и высокой износостойкостью, например, Nylon. Их применения обусловлена теми же показателями, что и в случае с изготовлением шкивов.

Современные 3D принтеры обеспечивают достаточную точность печати, для того, чтобы свести к минимуму подгонку деталей, повышая тем самым производительность в разы. Пластик Nylon также можно использовать в качестве вкладышей (втулок) подшипников скольжения, например в детали типа “серьга” горизонтальных и широкоуниверсальных фрезерных станков, в

узлах перемещения пинолей механизмов правки шлифовальных инструментов, в качестве вкладышей шпиндельных узлов станков. Примеры деталей приведены на рис. 5, 6.

Рис. 5. Деталь типа "втулка"

а) – втулка серьги широкоуниверсального фрезерного станка; б) – серьга в сборе с втулкой

Пластики типа Carbon Fiber, PEEK, имеющие наиболее высокие прочностные характеристики, можно использовать для изготовления либо полнофункциональных прототипов, либо полностью рабочих корпусов механизмов правок, кронштейнов приборов активного контроля на шлифовальных и иных станках.

Пластики типа Wax и HIPS (а сочетании с ABS) можно применять при изготовлении модельной оснастки для литья деталей сложной геометрии, типа кронштейнов внутришлифовальных головок для кругло- и внутришлифовальных станковв условиях серийного и крупносерийного производства, когда изготовление деталей с помощью станков с ЧПУ ввиду низкого коэффициента использования металла.

Применение 3D печати в мелкосерийном производстве позволяет изготавливать матрицы и пуансоны со сложной геометрией формообразующих поверхностей, а также с подвижными частями, давая возможность формовать элементы кожухов, корпусов механизмов из стали толщиной до 2,5 мм.

89