сотрудник
Российский университет транспорта (МИИТ) (кафедра "Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава", профессор)
сотрудник
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
сотрудник
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
сотрудник
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
аспирант
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
УДК 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
ГРНТИ 55.13 Технология машиностроения
Вскрыты причины низкой шероховатости поверхностей деталей, полученных с помощью аддитивных технологий. Изучено улучшение этого показателя последующей обработкой гибким абразивным инструментом. Выявлена перспективность использования смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ) при данных условиях обработки. Определены условия работы мягкого абразивного инструмента и влияние СОЖ на показатели шероховатости обработанной поверхности деталей из полимерных материалов.
аддитивные технологии, 3D-печать, фотополимер, технология, качество, шероховатость
Введение
На сегодняшний день сформировалась целая индустрия аддитивного производства, десятки различных методов технологий, а также оборудования и материалов для послойного выращивания изделий. В результате с каждым годом эта технология совершенствуется и становится всё более популярной.
Процесс изготовления происходит автоматически без участия человека. Все основные настройки (заполнение, толщина слоя, коррекция шаг платформы), осуществляются на стадии подготовки к печати, после запуска человек выступает в качестве оператора и не вмешивается в процесс до полного изготовления изделия.
Использование технологии послойного выращивания деталей позволяет обойтись без сборочных операций, изготовление происходит за одну установку изделия, имеющего сложно фасонную поверхность.
Формирование рельефа деталей, изготовленных с помощью аддитивных технологий
При печати использовался метод FDM (метод послойного наплавления) – технология аддитивного производства, широко используемая при создании трехмерных моделей, при прототипировании и в промышленном производстве. В качестве материала использовался ABS-пластик – ударопрочная техническая термопластическая смола на основе сополимера акрилонитрила с бутадиеном и стиролом.
Во время процесса печати могут появляться также и дефекты, связанные с перегревом сопла, либо не достаточной температурой камеры, и говорить о достижении требуемой шероховатости не приходится все это ведет к браку изделия, как показано на рис. 1.
Рис. 1. Дефект наложения слоёв во время печати
Так как дефект появился на поверхностном слое изделия, а именно при печати последнего слоя, было решено исследовать его глубину с помощью электронного микроскопа Альтами СМ0745-Т (рис. 2).
Рис. 2. Картина дефекта
Согласно работе [1] значение шероховатости Ra на поверхности детали полученной с помощью аддитивных технологий лежит в пределах Ra≥1,2. Также на всех изготовленных образцах с помощью аддитивных технологий характерно наличие отчетливых зон неровностей (рис. 3) на поверхностном слое изделия. Поэтому было принято решение более детально исследовать полученную поверхность.
Измерение шероховатости производилось с помощью профилометра TR220 в 12-ти точках на поверхности детали. В результате были получены следующие данные, представленные в табл.1.
Анализируя полученные данные, наглядно видно, что шероховатость поверхности неоднородна, в некоторых точках имеются значительное ухудшения показателя Ra. Точка 1пк Ra 5,362 свидетельствует дефекту, показанному на рис. 1.
Дальнейшее улучшение шероховатости, а, следовательно, и поверхностного слоя может достигаться комбинированным формообразованием с помощью аддитивных технологий и последующей механической обработки, произведенных на одной технологической платформе.
Таблица 1
Показатели шероховатости после
печати
|
№ точки измерения |
Показатель шероховатости |
|
1лк |
1,943 |
|
2лк |
2,838 |
|
3лк |
2,321 |
|
4лк |
2,674 |
|
1цт |
3,928 |
|
2цт |
2,743 |
|
3цт |
2,260 |
|
4цт |
2,119 |
|
1пк |
5,362 |
|
2пк |
2,201 |
|
3пк |
3,429 |
|
4пк |
2,190 |
Изучение формирования рельефа при шлифовании при минимальном припуске
Используя опыт, полученный в работе [1], была предпринята попытка достичь показателя Rа <0,8 при min припуске с помощью использования механообработки. Для этого были напечатаны, обработаны, а впоследствии измерены образцы - бруски размером 155х80х12 мм (рис. 3).
Рис. 3. Объект исследования
Финишная обработка производилась на станке с ЧПУ MIKRON НРМ 600 U, при этом использовался мягкий абразивный инструмент.
Использование данного абразивного инструмента объясняется тем, что изготовленные с помощью аддитивных технологий детали имеют сложную фасонную поверхность, инструмент на жёсткой основе не сможет обрабатывать такие поверхности. Мягкие щётки позволяют проходить по поверхностям, имеющим сложную форму, не затрачивая дополнительное время на переустановку заготовки.
Инструмент состоит из множества абразивных зёрен, в зависимости от вида обработки, материала заготовки, подбирается его жёсткость. На основании опытов было установлено, что щётка может работать только по плоской поверхности, в результате необходима последующая его доработка.
При проведении опытов использовались следующие режимы обработки: частота вращения шпинделя n = 4500 об/мин, подача S = 800 мм/мин, общий слой снимаемого материала t = 0,3 мм, за 1 проход снимался слой равный 0,05 мм. Таким образом обработка происходила за 6 проходов. Вылет инструмента из корпуса составлял 11 мм. Опыты проходили в двух режимах: в сухую и с применением СОЖ.
При обработке в сухую было установлено, что поверхность в процессе механической обработки мягким абразивным инструментом перегревается, в результате, пластик начинает плавиться и происходит налипание стружки (рис. 4) в виде нарастающих волн. Шероховатость поверхности резко уменьшается и выходит за пределы измерений из-за неоднородности выступов и полученного рельефа в виде налипшего пластика.
Рис. 4. Следы плавления пластика
на поверхности
На рис. 4 наглядно видно образование нового слоя, состоящего из расплавившегося пластика в процессе обработки.
Установлено, что плавится не только поверхность детали, но и происходит сильный износ инструмента. Наросты окрашиваются в цвет режущего инструмента. На щётке появляются следы оплавления, в виде загрязнения абразивного зерна налипшим пластиком (рис. 5)
Рис. 5. Загрязнение абразивных зёрен
В результате, будет не только уменьшается шероховатость самой детали, но и снижаются режущие способности инструмента. Налипший пластик забивается в поры волокон, нарушается абразивная связка.
В опыте с использованием СОЖ такая проблема не наблюдается. Деталь не перегревается, обработка происходит равномерно, зёрна режущего инструмента чистые. При работе с установленными ранее режимами были получены следующие результаты, представленные в табл. 2.
Таблица 2
Результаты опыта
с использованием СОЖ
|
№ точки измерения |
Показатель шероховатости до обработки |
Показатель шероховатости после обработки |
|
1лк |
1,943 |
0,576 |
|
2лк |
2,838 |
0,762 |
|
3лк |
2,321 |
0,658 |
|
4лк |
2,674 |
0,894 |
|
1цт |
3,928 |
0,809 |
|
2цт |
2,743 |
1,132 |
|
3цт |
2,260 |
1,291 |
|
4цт |
2,119 |
0,743 |
|
1пк |
5,362 |
1,334 |
|
2пк |
2,201 |
0,789 |
|
3пк |
3,429 |
0,837 |
|
4пк |
2,190 |
0,676 |
Показатели качества поверхности после обработки показывают уменьшение Ra, в некоторых точках достигнуть показателя <0,8 не удалось из-за слишком больших выступов.
Обработанные результаты представлены в виде диаграммы (рис. 6).
Рис. 6. Распределения шероховатости
на поверхности детали после обработки
В результате, подбирая параметры обработки и используя разное сечение волокна, можно достигнуть необходимого показателя шероховатости, который соответствует заявленным требованиям детали.
Сравнение качества поверхности представлено на диаграмме (рис. 7).
Рис. 7. Сравнение шероховатости до и после обработки:
кривая 1 - поверхности до обработки, кривая 2- поверхность после обработки
Было установлено, что после изготовления детали с использованием технологии 3D-печати необходима последующая финишная механическая обработка. Предварительная шероховатость поверхности оказывает влияние на показатели после обработки, в зависимости от глубины съёма материала показатели будут неоднородны, для получения более однородной поверхности требуется увеличить глубину обработки.
Заключение
Полученные опытным путём результаты свидетельствуют о возможности улучшения величины Ra на поверхности детали, которое достигается комбинированным формообразованием с помощью аддитивных технологий и последующей механической обработки, произведенных на одной технологической платформе. Опыт без использования СОЖ показал возможность перегрева, следствием которого является оплавление и налипания пластика как на поверхность, так и на абразивные зёрна режущего инструмента, что является недопустимым и приводит к значительному ухудшению показателя Ra на обработанной поверхности и износу режущего инструмента. В виду этого использование СОЖ в процессе финишной обработки перспективно, но для достижения более лучшего результата, необходимо доработать ее химический состав.
1. Куликов, М. Ю. Обеспечение качества деталей, изготовленных с помощью аддитивных технологий / М. Ю. Куликов, М. А. Ларионов, Д. В. Гусев, Е. О. Шевчук // Вестник Брянского государственного технического университета. - 2020. - № 12(97). - С. 4-10.
2. Куликов, М. Ю. Исследование закономерностей формирования точностных параметров деталей при прототипировании / М. Ю. Куликов, М. А. Ларионов, Д. В. Гусев // Вестник Брянского государственного технического университета. - 2016. - № 2(50). - С. 104-107.
3. Куликов, М. Ю. О взаимодействии шероховатости поверхности прототипированных образцов с условиями их базирования при изготовлении / М. Ю. Куликов, М. А. Ларионов, Д. В. Гусев // Ученые записки Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета. - 2016. - № 1(25). - С. 88-92.
4. Гусев, Д. В. Повышение показателей качества изготавливаемых изделий при использовании технологии быстрого прототипирования: специальность 05.02.08 «Технология машиностроения» : диссертация на соискание ученой степени канд. техн. наук / Денис Витальевич Гусев; Ульяновский государственный технический университет. - Ульяновск, 2019. - 116 с.
5. Литунов, С. Н. Обзор и анализ аддитивных технологий. Часть 2 / С. Н. Литунов, В. Н. Слободенюк, Д. В. Мельников// Омский научный вестник. - 2016. - № 5(149). - С. 20-24.
6. Адлер, Ю. П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий / Ю. П. Адлер, Е. В. Маркова, Ю. В. Грановский. - Москва : Наука, 1976. - 278 с.
7. Зленко, М. А. Аддитивные технологии в машиностроении. Пособие для инженеров. / М. А. Зленко, М. В. Нагайцев, В. М. Довбыш. - Москва : ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ», 2015. - 220 с.
8. Зенкин, Н. В. Эффективность влияния СОЖ на шероховатость фрезерованных поверхностей при различных режимах резания / Н. В. Зенкин, И. А. Варичкин // Научный альманах. - 2017. - № 3-3(29). - С. 93-96.
9. Баранчиков, В. И. Обработка специальных материалов в машиностроении: Справочник. Библиотека технолога / В. И. Баранчиков, А. С, Тарапанов, Г. А. Харламов. - Москва : Машиностроение, 2002 - С. 52-56.
