CC BY
8
Pershin Vladimir Fedorovich, doctor of technical sciences, professor, pershin.home@mail.ru, Russia, Tambov, Tambov State Technical University
УДК 621.763
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-10-432-439
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ МАТЕРИАЛОЁМКОСТИ КОНСТРУКЦИЙ ПЛИТ ПРЕСС-ФОРМ
И.В. Сорокин, М.В. Терехов, Р.А. Филиппов, А.А. Кузьменко, Л.Б. Филиппова
Статья посвящена актуальной проблеме снижения материалоёмкости конструкций деталей пресс-форм с использованием методов аддитивного производства. Приведено решение задачи снижения материалоёмкости конструкций деталей при сохранении их прочностных свойств за счёт использования методики удаления материала в зонах с относительно большим запасом прочности. Особое внимание уделено разработке методики и алгоритму снижения материалоёмкости конструкций, на основе которых проводились исследования. Для решения поставленной задачи были разработаны трёхмерные модели плит пресс-форм с исходной конструкцией и модифицированной. Проведен анализ полученных моделей со сниженной материалоёмкостью с целью выявления соответствиям функциональным характеристикам.
Ключевые слова: материалоёмкость, аддитивные технологии, пресс-форма, системы автоматизированного проектирования, метод конечных элементов, запас прочности.
Пресс-форма является весьма распространённой оснасткой для получения изделий различных конфигураций. Детали типа «плита», которые являются частью пресс форм, довольно успешно могут быть подвергнуты снижению материалоёмкости конструкции, что значительно сокращает время их изготовления и как следствие экономические затраты на изготовление пресс-формы в целом. При этом снижение материалоёмкости конструкции деталей, как правило, чаще используется в рамках механической обработки, чем в аддитивном производстве, которое данном аспекте демонстрирует более высокие показатели по снижению массы деталей или изделий. В настоящее время известны следующие основные направления снижения материалоемкости [1]:
1. Снижение массы.
2. Повышение коэффициента использования материала (отношение основного параметра машины к массе).
3. Выбор рационального материала.
4. Унификация узлов и деталей.
5. Рационализация конструктивных схем путем устранения излишних запасов прочности, замены металлических материалов неметаллическими, применения прочных материалов.
Снижение массы является наиболее распространённым методом снижения материалоёмкости. Один из способов - рациональное нагружение деталей, когда напряжения будут одинаковы в каждом сечении детали по ее продольной оси и в каждой точке этого сечения. Это возможно, когда нагрузку воспринимает все сечение детали (сжатие-растяжение). Таким образом достигается равнопрочность. При изгибе, кручении и сложных состояниях напряжения распределяются по сечению неравномерно (т. е. нужно стараться по возможности осуществить замену изгиба и кручения растяжением-сжатием). Удаление слабона-груженного центра сечения обеспечивает более равномерное распределение напряжений [1].
Таким образом, одним из направлений облегчения деталей является удаление металла из явно мало напряженных участков, находящихся в стороне от силового потока. В рамках механической обработки одновременно со снижением металлоёмкости конструкции поднимается вопрос технологичности изготовления детали. При удалении материала важно сохранить области, содержащие основные конструктивные элементы (например, отверстия, пазы и т.д.), что приводит к формированию труднообрабатываемой геометрии. А в аддитивном производстве технологичность не столь важна, так как послойный синтез позволяет формировать весьма сложную геометрию. Следовательно, в рамках аддитивного производства возможно более гибкое и эффективное снижение материалоёмкости конструкций деталей.
Методы и материалы исследования. Для решения поставленной задачи была разработана методика снижения материалоёмкости конструкции, включающая в себя CAD и CAE модули, блоки формирования технического задания, принятия решений, анализа результатов и аддитивной подготовки производства, а также базы данных материалов и 3D-принтеров (рис. 1).
Рис. 1. Структурно-функциональная схема методики снижения материалоёмкости конструкций в рамках аддитивного производства
Основная задача данной методики заключается в создании облегчённой конструкции детали равнопрочной исходной. Была проведена декомпозиция данной задачи, в результате которой было выявлено пять взаимосвязанных функций с соответствующими входами, выходами, управлениями и механизмами (рис. 2).
Техническое
м
зада н ие
Рис. 2. Контекстная диаграмма методики снижения материалоёмкости конструкции
в рамках аддитивного производства
Методика снижения материалоёмкости конструкций в рамках аддитивного производства включает в себя пять этапов. Первый этап заключается в создании исходной трёхмерной геометрической модели детали, соответствующей техническому заданию.
На втором этапе необходимо провести прочностной анализ конструкции при помощи метода конечных элементов с использованием системы автоматизированного проектирования (САПР) с целью выявления слабонагруженных участков. Участки, испытывающие высокие напряжения обладают низким коэффициентом запаса прочности, следовательно, в конструкции отсутствуют излишки материала, и проведение дальнейших этапов нецелесообразно.
На третьем этапе принимается решение об удалении материала из слабонагруженных участков, создаётся эскиз, определяющий предполагаемые зоны удаления материала, затем формируется 3D-модель со сниженной материалоёмкостью.
Четвёртый этап подразумевает выбор метода аддитивного производства, который, в совокупности с порошковым материалом и соответствующим оборудованием, позволит обеспечить деталь необходимыми физико-механическими свойствами.
На пятом этапе выполняется проверочный прочностной расчёт с целью выявления равнопроч-ности между облегчённой и исходной конструкциями. Если напряжения и коэффициент запаса прочности находятся в допустимых значениях, то такая конструкция является равнопрочной исходной и представляет конечный результат данной методики, в противном случае необходимо выполнить перепроектирование и повторить процедуру.
Алгоритм снижения материалоёмкости в рамках аддитивного производства представлен на
рис. 3.
Рис. 3. Алгоритм снижения материалоёмкости конструкции в рамках аддитивного производства
Для исследования возможностей снижения материалоёмкости конструкции по вышеописанной методике была выбрана типовая деталь «Плита неподвижная», которая является одной из сборочных единиц пресс-формы. Деталь изготавливается из стали 5ХНМ и испытывает максимальное давление 100 МПа, равномерно распределённое по верхней плоскости.
В САПР «Autodesk Inventor» была построена 3D-модель детали, а затем был использован модуль «Анализ напряжений». После расчёта детали на прочность методом конечных элементов, был получен отчёт (рис. 4).
В ходе анализа было выяснено, что в целом исследуемая деталь не испытывает высоких напряжений, однако канавки в карманах 1 являются концентраторами напряжений. Дальнейший анализ даёт основания полагать, что концентраторы напряжений негативно влияют на коэффициент запаса прочности (в них он достигает наименьшего значения). Однако следует заметить, что зоны вблизи карманов с канавками также имеют сравнительно низкий коэффициент запаса прочности, а для зон вокруг отверстий 2 этот показатель выше среднего. Также было выявлено, что большая часть детали имеет сла-бонагруженные участки, для которых обеспечен высокий коэффициент запаса прочности и именно они могут быть подвержены удалению материала.
С учётом сохранения всех конструктивных элементов и результатов прочностного анализа было выявлено, что конструкция детали имеет три предполагаемые зоны, в которых возможно удаление излишков материала (рис. 5).
J.il ■ Г» Мак^
Ед^+ча: МРа
1550:14 lOljr-tmt
У
Тш: когфф. гэпэсa np«>4«tM J
34.01.2021, 16: 15 Макс
Рис. 4. Прочностной анализ исследуемой детали
Рис. 5. Предполагаемые зоны 1, 2, 3 для удаления излишков материала исходной детали
В рамках аддитивного производства для изготовления детали был выбрана технология селективного лазерного плавления (Selective Laser Melting), в которой используется мощный волоконный ит-
435
тербиевый лазер для выборочного плавления мелкозернистых металлических порошков [2]. Использование данной технологии обусловлено наличием в конструкции детали канавок и отверстий небольшого размера.
В качестве материала может быть использован порошок твердой нержавеющей стали с высоким содержанием хрома СЬ 91RW [3], так как он близок по своим свойствам к стали 5ХНМ [4], что показано в таблице.
Сравнение физико-механических свойств порошка СЬ 91Я'№и стали 5ХНМ
Наименование параметра Значения для СЬ 91RW Значения для 5ХНМ
Предел прочности, МПа 1650-1700 1570
Предел текучести, МПа 1550-1600 1420
Модуль Юнга, МПа 2-108 2-108
Твёрдость, НЯС 48-50 39-57
Теплопроводность, Вт/м-К 18-20 38-46
Относительное удлинение при разрыве, % не менее 2 9
Массовая плотность, (г/см3) 7,85 7,85
Массовая плотность и модуль Юнга рассматриваемых материалов идентичны, твердость поверхности порошка «СЬ 91RW» примерно равна твердости поверхности стали «5ХНМ», прошедшей термообработку. Теплопроводность металлического порошка гораздо ниже, чем у стали. Также порошок имеет более высокие значения переделов текучести и прочности.
tд^**'цэ: МРд
24.01.2021, 16:49:39
Тип: Коэфф . ззпжэ I Ёдт<ца: чЛ
24.01.2021, 1651:1$
I-
Рис. 6. Проверочный прочностной анализ облегчённой конструкции
Результаты исследований и их обсуждение. Для трёхмерной печати детали «Плита неподвижная» методом селективного лазерного плавлениям может быть выбран принтер <^ЬМ 500 НЬ» [5], так как в качестве порошка в нём может быть использован ранее рассмотренный материал, а также объём камеры построения удовлетворяет габаритным размерам детали.
436
Затем был выполнен аналогичный прочностной анализ для облегчённой конструкции детали, с целью выявления соответствий своему функциональному назначению (рис. 6). При этом распределение напряжений не изменилось, то есть его концентраторами по-прежнему являются канавки.
Следует обратить внимание, что максимальные напряжения в них повысились на 40 МПа. Однако так как порошок CL 91RW имеет более высокие показатели пределов текучести и прочности, чем сталь 5 ХНМ, минимальное значение коэффициента запаса прочности повысилось на 0,12. Это свидетельствует о том, что конструкция, полученная при вышеописанных условиях, является более прочной, чем исходная деталь, поэтому рассматриваемое снижение материалоёмкости конструкции может найти применение в машиностроении в рамках аддитивного производства.
Было определено, что удаление материала является эффективным методом снижения материалоёмкости конструкций плит пресс-форм. Входе исследования было выявлено, что материал целесообразно удалять из областей, обладающих высоким коэффициентом запаса прочности. Было установлено, что при изготовлении плит пресс-форм методами аддитивного производства необходимо использовать порошковые материалы, физические свойства которых превышают значения сплава, используемого для изготовления рассматриваемой детали изначально.
Заключение. Использование аддитивных технологий для снижения материалоёмкости конструкций плит пресс-форм может быть реализовано при помощи метода удаления материала. При этом удаление материала должно выполняться в зонах, обеспеченных высоким коэффициентом запаса прочности, так как в данных участках конструкция детали испытывает наименьшие напряжения. Также при удалении материала необходимо тщательно провести анализ конструкции с целью сохранения функциональных свойств детали.
Исходя из анализа напряжений и запаса прочности, исходной и облегчённой конструкций, было выявлено, что в рамках аддитивного производства следует использовать порошковые материалы, которые обеспечивают более высокие пределы прочности и текучести, чем сплавы, используемые при механической обработке плит пресс-форм.
Список литературы
1. Мефодьев М.Н., Мезенов А.А. Основы расчета и конструирования машин и аппаратов перерабатывающих производств: курс лекций // Новосиб. гос. аграр. ун-т. Инженер. ин-т. Новосибирск, 2011. 109 с.
2. Репников Д.А., Терехов М.В. Анализ аддитивных технологий. Сравнение порошкового и проволочного присадочного материала // Новые горизонты. Материалы VI Международной научно-практической конференции, посвященной 90-летию БГТУ. 2019. С. 114-118.
3. Сталь CL 91RW: сайт. [Электронный ресурс] URL: http://www.printcad.ru/equipment/materials/LaserCUSING/powder-CL91RW.html (дата обращения: 06.10.2022).
4. Характеристика материала 5ХНМ: сайт. [Электронный ресурс] URL: http://www.splav-kharkov.com/mat start.php?name id=282 (дата обращения: 23.12.2020).
5. 3D-принтер SLM 500: сайт. [Электронный ресурс] URL: https://iqb. ru/catalog/3dprinters/3 d-printer-slm-500 (дата обращения: 06.10.2022).
6. Репников Д.А., Терехов М.В. Выбор элементов поддержки при наплавке металлической проволокой в аддитивных технологиях // Вестник Брянского государственного технического университета. 2019. № 9 (82). С. 42-49.
7. Automation of tooling backup and cutter selection for engineering production / M.V. Terekhov [and etc] // Journal of Physics: Conference Series. 2017 Т. 803. № 1. С. 12164.
8. Дзеник А.Д., Исламов А.Р., Каримов Д.И. Современные технологии производства прошко-вых материалов для аддитивных технологий // Молодежь и системная модернизация страны. сборник научных статей 4-й Международной научной конференции студентов и молодых ученых. 2019. С. 244247.
9. Эттель В.А., Берг А.А., Иванов С.С. Исследование технологии производства деталей сложной конфигурации с помощью аддитивных технологий // Академическая наука - проблемы и достижения. Материалы XV международной научно-практической конференции. 2018. С. 41-43.
10. Эффективность использования аддитивных технологий как альтернативы традиционным субтрактивным технологиям при изготовлении сложных деталей из металла / А.С. Агафонцев [и др.] // Труды РФЯЦ-ВНИИЭФ. 2017. № 22-2. С. 228-231.
11. Преимущества аддитивных технологий в качестве альтернативы традиционным технологиям / В.Е. Низовцев [и др.] // Аддитивные технологии: настоящее и будущее. Материалы IV Международной конференции. ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов». 2018. С. 203-208.
12. Степанова Е.Ю. Аддитивные технологии как прорывные инновации ресурсосбережения 21 века // Энерго- и ресурсосбережение - XXI век. материалы XIII международной научно-практической интернет-конференции. ГУ «Орловский региональный центр Энергосбережения». 2015. С. 124-128.
13. Ворошилов Ф.А., Гайворонский А.В. Производство титанового порошка для аддитивных технологий // ХХ Менделеевский съезд по общей и прикладной химии. тезисы докладов в пяти томах. Уральское отделение Российской академии наук. 2016. С. 253.
14. Гура З.И., Вихрева Н.Е. Напряженно-деформированное состояние как показатель материалоемкости облегченных несущих конструкций // Труды Братского государственного университета. Серия: Естественные и инженерные науки. 2014. Т. 1. С. 106-108.
15. Пилипенко О.И. Ресурсосберегающие технологии производства деталей машин // Технические науки и технологии. 2018. № 1 (11). С. 48-57.
Сорокин Илья Владимирович, студент, sorokalay1@yandex. ru, Россия, Брянск, Брянский государственный технический университет,
Терехов Максим Владимирович, канд. техн. наук. доцент, malt86@mail.ru, Россия, Брянск, Брянский государственный технический университет,
Филиппова Людмила Борисовна, канд. техн. наук. доцент, libv88@mail.ru, Россия, Брянск, Брянский государственный технический университет,
Филиппов Родион Алексеевич, канд. техн. наук. доцент, redfil@mail.ru, Россия, Брянск, Брянский государственный технический университет,
Кузьменко Александр Анатольевич, канд. биол. наук, доцент, alex-rf-32@yandex.ru, Россия, Брянск, Брянский государственный технический университет
THE USE OF ADDITIVE TECHNOLOGIES TO REDUCE THE MATERIAL CONSUMPTION OF PRESS
FORM PLATE STRUCTURES
I.V. Sorokin, M.V. Terekhov, R.A. Filippov, A.A. Kuzmenko, L.B. Filippova
The article is devoted to the actual problem of reducing the material consumption of mold parts using additive manufacturing methods. A solution is given to the problem of reducing the material consumption of parts structures while maintaining their strength properties through the use of a technique for removing material in areas with a relatively large margin of safety. Particular attention is paid to the development of a methodology and an algorithm for reducing the material consumption of structures, on the basis of which the research was carried out. To solve the problem, three-dimensional models of mold plates with the original design and the modified one were developed. The analysis of the obtained models with reduced material consumption was carried out in order to identify compliance with functional characteristics.
Key words: material consumption, additive technologies, mold, computer-aided design systems, finite element method, margin of safety.
Sorokin Ilya Vladimirovich, student, sorokalayl @yandex. ru, Russia, Bryansk, Bryansk State Technical University,
Terekhov Maxim Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, malt86@mail. ru, Russia, Bryansk, Bryansk State Technical University,
Filippova Lyudmila Borisovna, candidate of technical sciences, docent, libv88@mail.ru, Russia, Bryansk, Bryansk state technical University,
Filippov Rodion Alekseevich, candidate of technical sciences, docent, redfil@mail.ru, Russia, Bryansk, Bryansk state technical University
Kuzmenko Alexander Anatolyevich, candidate of biological sciences, docent, alex-rf-32@yandex.ru, Bryansk, Russia, Bryansk State Technical University
