УДК 621.791.927.5 электрической дугой. Электродуговая наплавка
Статья посвящена изучению влияния кривизны приемной поверхности на геометрические параметры единичного наплавляемого слоя при аддитивном формообразовании электрической дугой в среде защитного газа. На основе теоретических исследований установлена математическая зависимость для расчета высоты единичного наплавляемого слоя с учетом формы приемной поверхности. Установлена теоретическая закономерность изменения высоты единичного наплавляемого слоя от кривизны приемной поверхности. Для подтверждения полученной теоретической зависимости были спланированы и проведены серии экспериментов, по результатам которых, на основе дисперсионного анализа, установлено влияние кривизны приемной поверхности на геометрически параметры единичного наплавляемого слоя.
АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ, ФОРМООБРАЗОВАНИЕ, ВЫПУКЛАЯ ПОВЕРХНОСТЬ, ВОГНУТАЯ ПОВЕРХНОСТЬ, ПОГРЕШНОСТЬ
1 Состояние вопроса исследования и актуальность работы
В настоящее время аддитивные технологии применяются во многих сферах промышленной деятельности. Применения таких технологий позволяет сократить экономические затраты на определенных этапах технологического процесса. Благодаря разработке новых технологий и способов формирования единичных слоев, становится возможным расширение области применения технологий аддитивного формообразования [1-5].
Одним из наиболее производительных является способ аддитивного формообразования изделий, реализующий послойное построение посредством расплавления металлической проволоки электрической дугой с последующим застыванием расплавленного материала. Такой процесс происходит в среде защитного газа, имеет ряд преимуществ, обозначенных в работах [6-8].
В то же время, следует отметить некоторые недостатки способа аддитивного формообразования электрической дугой, среди которых выделяют относительно низкую точность изготовления, деформацию изделия. Однако, обозначенный выше способ является перспективным, о чем свидетельствует достаточно большое количество публикаций, посвященных изучению проблем и решению задач в области аддитивного формообразования с помощью электрической дуги.
Одной из таких проблем является проблема формирования структуры металла наплавляемых валиков [9-12]. Другой, не менее важной проблемой является обеспечение точности геометрии деталей, полученных таким способом [13-20]. Авторами отмечается, что одной из причин, которая может быть связна с этим, является значительный перегрев, которому подвергаются предыдущие слои в ходе значительного долгосрочного термического воздействия. Так же, с этим фактором может быть связано изменение геометрии получаемых изделий. При увеличении высоты наплавляемого изделия могут наблюдаться значительные изменения геометрии наплавляемого слоя.
Другим недостатком способа аддитивного формообразования электрической дугой является анизотропия физико-механических свойств изделий, что сказывается на качестве и уровне эксплуатации этих изделий. Одним из решений данной проблемы может стать реализация заполнения внутренней структуры изделий слоями криволинейной формы. В работе [21], рассмотрены способы разделения цифровой модели на криволинейные слои для 3D печати, в частности на слои цилиндрической и конической формы, разработан алгоритм деления цифровой модели на криволинейные слои для 3D печати.
2 Материалы и методы
Построение изделий криволинейными слоями цилиндрической формы возможно производить, как на подготовленную ранее приемную поверхность, так и на поверхность, сформированную в процессе аддитивного формообразования. Следует отметить, что изменение геометрических параметров приемной поверхности может оказывать существенное влияние на геометрические параметры поперечного сечения единичных наплавляемых слоев, что необходимо учитывать при разработке алгоритмов разделения и заполнения их внутренней структуры. Поэтому актуальной задачей является установление влияния кривизны приемной поверхности на геометрические параметры единичных наплавляемых слоев при аддитивном формообразовании электрической дугой в среде защитного газа.
3 Результаты исследований
Для теоретического исследования влияния кривизны приемной поверхности на формируемый слой было составлено уравнение кривой, описывающей наружный участок наплавляемого слоя в виде эквидистанты (рис. 1)
, (1)
где 
– векторное уравнение участка кривой приемной поверхности, вдоль которой происходит перемещение экструдера 
, где 
– параметр определяющий точку на кривой ; 
– высота наплавляемого слоя; 
– нормаль к кривой 
, которую можно вычислить по формуле:
. (2)
1. Burns M. Automated Fabrication: Improving Productivity in Manufacturing. Englewood Cliffs, N.J., USA:PTR Prentice Hall, 1993. 369 pp.
2. Сапрыкин А.А. Повышение производительности процесса селективного лазерного спекания при изготовлении прототипов: дис.... канд. техн. наук: 05.03.01:защищена 19.11.06: утв. 13.04.07. Юрга: Томский политехнический университет, 2006.
3. Improving the quality of additive methods for forming the surfaces of odd-shaped parts with the application of parallel kinematics mechanisms / V.V. Kuts, M.S. Razumov, A.N. Grechu-khin, N.A. Bychkova //International Journal ofApplied Engineering Research. 2016. Т. 11. № 24. С. 11832-11835.
4. Доброскок В.Л., Абдурайимов Л.Н., Чернышов С.И. Рациональная ориентация изделий при их послойном формообразовании на базе исходной триангуляционной 3d модели // Ученые записки Крымского инженерно-педагогического университета. 2010. № 24. С. 13-21.
5. Optimum part deposition orientation in stereolithography / S.K. Singhal, A.P. Pandey, P.M. Pandey, A.K. Nagpal // Computer-Aided Design & Applications. 2005. Vol. 2. Nos. 1-4. P. 319-328.
6. Олешицкий А.В., Гаркавцева П.А., Гречухин А.Н. Создание установки для проволочнодугового аддитивного производства на базе фрезерного станка с чпу В сборнике: ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ: ПУТИ ИННОВАЦИОННОГО РАЗВИТИЯ. Сборник научных статей 11-й Международной научно-практической конференции. Курск, 2022. С. 236-241.
7. Гречухин А.Н., Куц В.В., Щербаков П.С. Выявление влияния пространственной ориентации наплавляемых слоев, а также коэффициента их перекрытия на погрешность формы поверхности при аддитивном формообразовании электрической дугой //Вестник Воронежского государственного технического университета. Т. 17. № 6. 2021. DOIhttps://doi.org/10.36622/VSTU.2021.17.6.017.
8. Гаркавцева П.А., Гречухин А.Н. Разработка устройства для аддитивного формообразования электрической дугой с повышенной точностью В сборнике: Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации. Сборник научных трудов XVII Международной научно-практической конференции. Редколлегия: Разумов М.С. (отв. ред.). Курск: Юго-Западный государственный университет, 2022. С. 133-138.
9. Hong S. Byun, Kwan H. Lee. Determination of optimal build direction in rapid prototyping with variable slicing // Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2006. № 28. P. 307-313.
10. Hong S. Byun, Kwan H. Lee. Optimal part orientation of rapid prototyping using a genetic algorithm // Computers & Industrial Engineering. 2004. P. 426-431.
11. Hur J., Lee К. The development of a CAD environment to determine the preferred build-up direction for layered manufacturing // Int. J. Adv. Manuf. Technol. 1998. № 14. P. 247-254.
12. Kim J.Y., Lee К., Park J.C. Determination of optimal part orientation in stereolithographic rapid prototyping // Technical Report, Department of Mechanical Design and Production Engi-neering. Seoul: Seoul National University. 1994.
13. Determining fabrication orientations for rapid prototyping with stereolithography apparatus / P.T. Lan, S.Y. Chou, L.L. Chent, D. Gemmill // Computer-Aided Design. 1997. Vol. 29. № 1. P. 53- 62.
14. Improving the accuracy of additive forming methods Innovation, quality and service in engineering and technology/ A.N. Grechukhin, V.V. Kuts, M.S. Razumov and others. 2018. Pp. 128-131
15. Grechukhin A.N., Kuts V.V., Razumov M.S. Control of spatial orientation of robot units in the process of additive forming of products Bulletin of Voronezh state technical University. 2018. 4. Pp. 122-129.
16. Grechukhin A.N., Kuts V.V., Razumov M.S. Experimental determination of the cross-section parameters of a single layer in the additive forming products News of Tula state University. Technical science. 2019. 10. Pp. 264-270.
17. Grechukhin A.N., Anikutin I.S., Byshkin A.S. Management of space orientation of the end effector of generation of geometry system fiveaxis manufacturing machinery for additive gen-eration of geometry MATEC Web of Conferences. 2018. Vol. 7. Pp. 128-136. DOIhttps://doi.org/10.1051/matecconf/201822601004
18. Grechukhin A.N., Kuts V.V., Razumov M.S. Ways to reduce the error of additive meth-ods of forming - 2018 MATEC Web of Conferences. Vol. 7. Pp.142-150. DOIhttps://doi.org/10.1051/matecconf/201822601002
19. Grechukhin A.N., Kuts V.V., Oleshitskiy A.V. Development and Research of Technological Equipment that Implements Dynamic Control of Process of Additive Fabrication of Parts of Complex Spatial Shapes Based on Mechanisms with a Hybrid Layout. IOP Conference Series: Ma-terials Science and Engineering. 2020. 709(3). 033112. DOIhttps://doi.org/10.1088/1757-899X/709/3/033112
20. Investigation of the process of additive formation of fusible materials using a low-power solid-state laser/ V.V. Kuts, V.S. Merkulov, A.N. Grechukhin, A.S. Privalov// IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2021. 1029(1). 012010. DOIhttps://doi.org/10.1088/1757- 899X/1029/1/012010
21. Куц В.В., Гречухин А.Н., Олешицкий А.В., Привалов А.С., Щербаков П.С. АЛГОРИТМ ДЕЛЕНИЯ ОБЪЕМНОЙ МОДЕЛИ НА КРИВОЛИНЕЙНЫЕ СЛОИ ДЛЯ 3D-ПЕЧАТИ//Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2021. № 5 (349). С. 39-45.
