Разработка научных и технологических основ проектирования и изготовления сложнопрофильных электродов-инструментов для электроэрозионной обработки изделий специального назначения

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-29-00104

НазваниеРазработка научных и технологических основ проектирования и изготовления сложнопрофильных электродов-инструментов для электроэрозионной обработки изделий специального назначения

Руководитель Абляз Тимур Ризович, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" , Пермский край

Конкурс №78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-601 - Теория, методы проектирования и эффективность функционирования технических систем

Ключевые слова Электрофизическое воздействие, импульс тока, механика, напряжение, моделирование, топологическая оптимизация, теплофизическое воздействие, моделирование, оптимизация, электрод-инструмент, функциональные композитные материалы

Код ГРНТИ55.20.17

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Современные функциональные композитные материалы находят широкое применение при создании деталей, используемых в нефтяной и авиационной промышленности. На базе НОЦ Рациональное Недропользование развиваются технологии создания перспективных изделий авиационной и нефтегазовой промышленности, выполненных из данных материалов. Данные изделия характеризуются наличием сложнопрофильных глухих пазов, толстостенных элементов непостоянной кривизны, выполненных с высокой степенью точности. Адекватным решением является применением технологий электроэрозионной обработки (ЭЭО). Развитие технологии ЭЭО ограничивается высокой стоимостью и временем изготовления сложных фасонных электродов затрачивается порядка 50% от общей стоимости и трудоемкости всей операции ЭЭО. Для изготовления цельного электрода сложного профиля традиционными методами необходимо разбить электрод на элементарные участки, затем каждый участок изготавливается по отдельности. Отдельные элементы электрода в дальнейшем собираются в один инструмент. В настоящее время проводятся исследования по нахождению рациональных и эффективных способов проектирования и изготовления сложнопрофильных электродов-инструментов с применением методов быстрого прототипирования. Большая часть работ посвящена решению задач получения сложной геометрии электрода-инструмента. Не рассматриваются вопросы о стойкости инструмента, показателях качества обработанной поверхности функционального материала, а также вопросы проектирования электрода-инструмента с максимальной эффективностью с точки зрения коэффициента полезного использования материала и уменьшения веса электрода, на основе тестовых методов топологический оптимизации. Важной задачей в проведении исследований является разработка математических моделей, позволяющих прогнозировать состояние рабочих поверхностей и износ сложных электродов, оценивать качество поверхности детали, изготовленной из функционального композитного материала после ЭЭО, прогнозировать свойства поверхностного слоя на обработанной детали из данного материала. Недостаточно разработаны математические модели, описывающие поведение электродов-инструментов с переменной плотностью, заданными физико-механическими характеристиками и краевыми условиями. На основе реализации методов топологической оптимизации станет возможной оценка эффективности и применимости данных методик проектирования электрода-инструмента. Реализация предложенного проекта позволит получить новую методику по моделированию, проектированию и изготовлению сложнопрофильных электродов комбинированными методами на основе топологической оптимизации, а также проводить оценку и выбирать материал, тип ячейки и ее геометрические параметры в зависимости от условий нагружения и требуемых физико-механических свойств электрода. На основе разработанных математических моделей станет возможным прогнозировать поведение рабочих поверхностей сложнопрофильных электродов в процессе ЭЭО обработки, а также оценивать влияние изменений рабочих поверхностей электродов на качество обработанных поверхностей деталей, выполненных из функциональных композиционных материалов. На основе методов топологической оптимизации станет возможным проектирование электрода-инструмента с минимальными затратами на его изготовление при сохранении его электроэрозионных свойств, а также прогнозирование деформации и износа электрода в местах со сложно сопряженной геометрией рабочих поверхностей (тонкостенные элементы). Из-за отсутствия подобных методик, нет возможности проводить предварительную и всестороннюю оценку процесса ЭЭО сложнопрофильнымми электродами с учетом основных факторов, влияющих на качество обработки: изменение свойств поверхностного обрабатываемого слоя, износ режущего электрода, изменение параметров процесса ЭЭО с течением времени; влияние паразитных факторов в виде дефектов материалов, загрязнения рабочей среды и пр.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Timur Rizovich Ablyaz , Evgeny Sergeevich Shlykov, Karim Ravilevich Muratov Modeling of EDM Process Flushing Mechanism Materials, Ablyaz, T.R.; Shlykov, E.S.; Muratov, K.R. Modeling of EDM Process Flushing Mechanism. Materials 2023, 16, 4158. https:// doi.org/10.3390/ma16114158 (год публикации - 2023)
10.3390/ma16114158

2. Тимур Ризович Абляз, Евгений Сергеевич Шлыков, Карим Равилевич Муратов, Илья Владимирович осинников, Михаил Владимирович Банников, Сарабджит Сингх Сидху Investigation of Plasma-Electrolytic Processing on EDMed Austenitic Steels Materials, 16, 4127 (год публикации - 2023)
10.3390/ma16114127

3. Карим Равилевич Муратов, Абляз Тимур Ризович, Евгений Анатольевич Гашев, Андрей Александрович Пантелеев Повышение эффективности лезвийной обработки титанового сплава, полученного аддитивным методом СТИН, СТИН. 2023. №6. с.13-15 (год публикации - 2023)

4. Тимур Ризович Абляз, Евгений Александрович Морозов, Евгений Сергеевич Шлыков, Карим Равилевич Муратов Получение электродов-инструментов для электроэрозионной обработки путем применения технологии селективного лазерного сплавления СТИН, стин.2023. №6. с.34-37 (год публикации - 2023)

5. Абляз Т.Р., Морозов Е.А., Шлыков Е.С., Муратов К.Р. Production of Electric Discharge Machining Electrodes by Selective Laser Melting Russian Engineering Research, Russian Engineering Research, 2023, Vol. 43, No. 7, pp. 850–853 (год публикации - 2023)
10.3103/S1068798X23070043

6. Муратов К.Р., Абляз Т.Р., Гашев Е.А., Пантелеев А.А. More Efficient Machining of 3D-Printed Titanium Alloy Russian Engineering Research, Russian Engineering Research, 2023, Vol. 43, No. 7, pp. 826–828 (год публикации - 2023)
10.3103/S1068798X23070225

7. Абляз Т.Р. , Шлыков Е. С., Муратов К.Р., Карманов В.В., Сидху С.С. Экспериментальное исследование влияния процесса промывки межэлектродного промежутка на производительность и точность копировально-прошивной электроэрозионной обработки функциональных материалов Russian Engineering Research (год публикации - 2023)

8. Кропанев Н.А., Горохов А.Ю., Каменских А.А., Шлыков Е.С., Абляз Т.Р. Моделирование процесса электроэрозионной обработки материалов на основе температурной задачи Уфимская осенняя математическая школа - 2024 : Материалы междунар. науч. конф., г. Уфа, 2 окт. 5 окт. 2024 г. В 2 т. Т. 2. Секции: Дифференциальные уравнения и приложения, Математическое моделирование / М-во науки и высш. образования РФ, Уфим. ун-т науки и технологий, Науч.-образоват. мат. центр Приволж. федер. округа, Ин-т математики с вычисл. центром УФИЦ РАН. - Уфа : АЭТЕРНА, 2024. - С. 252-254, Уфимская осенняя математическая школа - 2024 : Материалы междунар. науч. конф., г. Уфа, 2 окт. 5 окт. 2024 г. В 2 т. Т. 2. Секции: Дифференциальные уравнения и приложения, Математическое моделирование / М-во науки и высш. образования РФ, Уфим. ун-т науки и технологий, Науч.-образоват. мат. центр Приволж. федер. округа, Ин-т математики с вычисл. центром УФИЦ РАН. - Уфа : АЭТЕРНА, 2024. - С. 252-254 (год публикации - 2024)

9. Абляз Т. Р. , Шлыков Е. С., Муратов К. Р., Морозов Е. А., Алиев Р. М. Application of powder laser surfacing technology in the manufacture of complex-profile electrodes-tools for copy piercing electrical discharge machining Russian Engineering Research (год публикации - 2024)

10. Муратов К. Р., Дроздов А. А. , Абляз Т. Р., . Морозов Е. А,. Шафранов А. В, Сажин А. Н. Study of the process of laser powder surfacing of EP648 alloy Russian Engineering Research (год публикации - 2024)

11. Алиев Р.М., Абляз Т.Р., Шлыков Е.С., Муратов К.Р., Блохин В.Б. Применение аддитивных технологий в инструментальной промышленности для повышения производительности копировально-прошивной электроэрозионной обработки СТИН , № 6. С. 30-32. 2024. (год публикации - 2024)

12. Абляз Т.Р., Шлыков Е.С., Муратов К.Р., Блохин В.Б., Осинников И.В., Ширяев В.В. Исследование формирования регулируемого микрорельефа на изделиях, полученных методом селективного лазерного сплавления, с применением копировально-прошивной электроэрозионной обработки СТИН, № 11. С. 42-45. 2024 (год публикации - 2024)

13. Муратов К.Р., Гашев Е.А., Абляз Т.Р., Давыдов Д.П., Плотников Е.В. Технологические рекомендации процесса полирования заготовок малой толщины СТИН, № 11. - С. 21-24. 2024 (год публикации - 2024)

14. Абляз Т.Р., шлыков Е.С., Муратов К.Р., Морозов Е.А., Алиев Р.М. Применение технологии порошковой лазерной наплавки при изготовлении сложнопрофильных электродов-инструментов для копировально-прошивной электроэрозионной обработки СТИН, № 11, с.45-48, 2024 (год публикации - 2024)

15. Абляз Т.Р., Блохин В.Б., Шлыков Е.С., Муратов К.Р., Осинников И.В. Особенности применения электродов-инструментов, изготовленных аддитивными технологиями, при электроэрозионной обработке изделий Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)., Том 26 № 3 с. 135–148 (год публикации - 2024)
10.17212/1994-6309-2024-26.3-135-148

16. Муратов К.Р., Гашев Е.А., Абляз Т.Р., Давыдов Д.П., Плотников Е.В. Technological recommendations for the polishing process of thin workpieces Russian Engineering Research (год публикации - 2024)

17. Муратов К.Р., Дроздов А.А., Абляз Т.Р., Морозов Е.А., Шафранов А.В., Сажин А.Н. Исследование процесса лазерной порошковой наплавки сплава ЭП648 СТИН, № 11, 51-53, 2024 (год публикации - 2024)

18. Алиев Р.М., Абляз Т.Р., Шлыков Е.С., Муратов К.Р., Блохин В.Б. Improving the Productivity of Copy-Piercing Electrical Discharge Machining by Additive Manufacturing of Tool Electrodes Russian Engineering Research, Russian Engineering Research, 2024, Vol. 44, No. 7, pp. 1017–1019. (год публикации - 2024)
10.3103/S1068798X24701399

19. Кропанев Н.А., Горохов А.Ю., Каменских А.А., Шлыков Е.С., Абляз Т.Р. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭВОЛЮЦИИ ПОВЕРХНОСТИ В ПРОЦЕССЕ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ сборник тезисов XXXIII Всероссийская конференция «Математическое моделирование в естественных науках», XXXIII Всероссийская конференция «Математическое моделирование в естественных науках», 2-4 октября 2024 г., г. Пермь, очное участие с 1 устным докладом; (год публикации - 2024)

20. Кропанев Н.А. , Горохов А.Ю. , Каменских А.А., Шлыков Е.С., Абляз Т.Р. МНОГОФАКТОРНЫЙ АНАЛИЗ ПОВЕДЕНИЯ МОДЕЛИ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛА эрокосмическая техника, высокие технологии и инновации 2024 : материалы XXV Всерос. науч.-техн. конф., посвящ. 85-летию АО ОДК-Авиадвигатель (г. Пермь, 18-20 нояб. 2024 г.) / М-во науки и высш. образования Рос. Федерации, Перм. нац. исслед. политехн. ун-т, М-во образования и науки Перм. края. - Пермь : Изд-во ПНИПУ, 2024. , Аэрокосмическая техника, высокие технологии и инновации 2024 : материалы XXV Всерос. науч.-техн. конф., посвящ. 85-летию АО ОДК-Авиадвигатель (г. Пермь, 18-20 нояб. 2024 г.) / М-во науки и высш. образования Рос. Федерации, Перм. нац. исслед. политехн. ун-т, М-во образования и науки Перм. края. - Пермь : Изд-во ПНИПУ, 2024. - С. 105-106. (год публикации - 2024)

21. Абляз Т. Р., . Шлыков Е. С, Муратов К. Р., Блохин В. Б.,. Осинников И. В, Ширяев В. В. Study of the formation of a controlled microrelief on products obtained by selective laser melting using copy piercing electrical discharge machining. Russian Engineering Research (год публикации - 2024)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Разработаны математические модели описывающие поведение поверхностей электродов в процессе электроэрозионной обработки. Проведен многофакторный анализ процесса серии единичных импульсов при моделировании электроэрозионной обработки материалов при термоупругой постановке. Установлено, что наличие явной нелинейной зависимости глубины лунки наблюдается только от силы тока. Получена модель, описывающая механическую деформацию электродов от теплового воздействия. Определено поле суммарных перемещений точек тела. На основе модели получены зависимости, описывающие изменение глубины и радиуса лунки при варьировании режимами обработки, с учетом механических деформаций. На основании проведенного моделирования установлено, что перемещения точек тела при изменении температуры не оказывает значительного влияния на размеры лунки. Полученные данные подтверждают адекватность разработанной модели и возможность ее применения при расчетах. Для повышения точности прогнозирования процесса целесообразно, в дальнейшем, увеличивать количество вычислительных экспериментов. Получена математическая модель описывающая процесс остывания поверхности между серией единичных импульсов. На основе проведенных расчетов установлено поле температур около лунки в результате процесса остывания между действиями импульсов. Полученная методика моделирования позволяет осуществить расчет воздействия на поверхность изделия серии единичных импульсов с учетом эволюции геометрии поверхности. Разработана математическая модель описывающая воздействие на поверхность заготовки серии единичных импульсов. Установлена зависимость большинства исследуемых параметров (температура после импульса и после остывания, глубина лунки и её изменение, радиус лунки и его изменение) стремятся к логарифмическому виду с наличием флуктуаций. Зависимость объёма лунки стремится к линейному виду с флуктуациями. Определены температуры пробоя и возможность оценки их влияния на структурные изменения обработанной поверхности. Разработана математическая модель позволяющая определить износ электрода-детали и электрода-инструмента в процессе электроэрозионной обработки, в том числе с учетом неравномерности распределения межэлектродного зазора (МЭЗ). Используя полученную модель, при экспериментальном измерении скорость эрозии для конкретного материала, становится возможным прогнозирование износа ЭИ и ЭД. Полученные математическим путем значения износа соответствуют экспериментальным данным, при использовании полученных коэффициентов. Таким образом становиться возможным прогнозирования поведения электродов в процессе ЭЭО. Разработана методика проектирования и решена задача оптимизации внутренних и наружных поверхностей ЭИ, с целью снижения его массы и обеспечения эффективной промывки рабочей зоны. В результате расчетов получены две модели распределения потоков диэлектрической жидкости и значения скоростей потоков для различных конфигураций внутренних каналов ЭИ. Доказана эффективность применения внутренних каналов для улучшения вывода шлама из рабочей зоны. Обеспечивается стабильность движения потока диэлектрической жидкости, а также ее циркуляция в зоне обработки, что способствует повышению производительности ЭЭО. На основе полученных закономерностей и методики расчета становится возможным проектирование и изготовление оптимизированного ЭИ, в том числе крупногабаритных. Изготовлены сложнопрофильные ЭИ с оптимизированными внутренними каналами из порошкового материала марки MS1 с применением отечественного оборудования для селективного лазерного сплавления. ЭИ имитируют рабочие поверхности сложнопрофильных изделий гражданского и специального назначения, а также фасонные текстурированные поверхности изделий типа «пресс-форма». Проведены экспериментальные исследования эксплуатационных характеристик ЭИ и доказана эффективность их применения. Подтверждены ранее установленные математические зависимости, показывающие, что на износ ЭИ в большей степени влияет параметр режима – сила тока. Показано, что при использовании различных конфигураций ЭИ параметры шероховатость находится в одном классе (5 класс шероховатости). Повышение силы тока приводит к общему увеличению шероховатости поверхностей. Интенсивность износа ЭИ, обосновывается низкими электроэрозионными свойствами материала MS1. Показана возможность применения ЭИ, полученных аддитивными методами из материала MS1, с последующим нанесением эрозионно-стойкого медного покрытия. Нанесение покрытия осуществлялось с применением методики гальванического осаждения. Отмечено, что величина износа ЭИ с покрытием сопоставима с износом медного ЭИ. Установлено, что покрытие электрода удовлетворяет требованиям методики электроэрозионной обработки. Покрытие способно удерживаться на поверхности детали и пропуска электрический импульс. Используя полученные ЭИ изготовлена специализированная оснастка для проведения исследований процессов абразивной финишной обработки, о чем отмечено в опубликованных статьях. Установлено, что при ЭЭО образцов изделий из разных материалов ЭИ, полученными с применением аддитивных технологий, на обработанной поверхности формируется измененные поверхностные слои. Установлено, что величина измененного поверхностного слоя при ЭЭО сплава ВВ751П составляет от 19 до 42 мкм. При обработке на минимальном режиме наблюдается стабильность распределения слоя по обработанной поверхности. Максимальный режим обработки характеризуется большей толщиной изменённого слоя. Аналогичная зависимость наблюдается при обработке сплава 42ХНМ. Величина измененного слоя составляет от 7 до 18 мкм. При ЭЭО на минимальном режиме толщина слоя составляет 7-9 мкм и характеризуется прерывистыми участками до 18 мкм. Проведенный анализ поверхности с применением сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) показал, что на поверхностях обоих материалов наблюдаются трещины, что объясняется наличием температурных и ударных воздействий. Наличие трещин доказывает адекватность математических подходов разработанных в рамках реализации научного проекта, описывающих термомеханическое воздействие на поверхность под действием импульсного разряда. Получены эмпирические модели позволяющие описать выходные параметры обработки (производительность, шероховатость, износ ЭИ) в зависимости от режимов. На основе проведенного регрессионного анализа установлены режимы позволяющие обеспечить заданные показатели качества обработанной поверхности. Получены оптимизированные технологические рекомендации по подбору параметров электроэрозионной обработки

Публикации

Возможность практического использования результатов
Разработанные научно-технологические подходы позволяют создавать сложнопрофильные электроды-инструменты для изготовления изделий специального и гражданского машиностроение. Расширяется технологические возможности применения электроэрозионной обработки (ЭЭО). Применение оптимизированных электродов позволяет повысить экономическую эффективность процесса обработки изделий. Полученные эмпирические модели, а также оптимизационные подходы позволяют подбирать режимы обработки и конфигурацию электродов-инструментов (ЭИ) обеспечивающие максимальную производительность обработки при заданных показателях качества. Полученные данные и методики позволят всесторонне оценить физику процесса электрофизической обработки материалов с применением выращенных ЭИ. Результаты научного исследования отличается практической применимостью в реальном секторе экономики, в том числе в области гражданской авиации, и позволят прогнозировать показатели качества обработанных поверхностей ответственных изделий. Внедрение разработанных методик ЭЭО приведет к увеличению конкурентоспособности продукции предприятий, к повышению эффективности производства и электрофизической обработки рассматриваемых изделий. В качестве новых знаний, имеющих прикладное и фундаментальное значение, выступают методики проектирования ЭИ, а также уточненные и новые двумерные и трехмерные модели процесса ЭЭО. Результаты проекта обладают потенциалом практического внедрения в реальный сектор экономики, что обеспечит: расширение номенклатуры обрабатываемых изделий специального назначения; снижение экономических затрат при изготовлении рассматриваемых деталей методом электрофизической обработки.