ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ, ПОЛУЧАЕМЫХ МЕТОДОМ ПРЯМОГО ЛАЗЕРНОГО СПЕКАНИЯ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Иноземцев В.Е.,

кандидат технических наук, преподаватель кафедры «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава» Московского государственного университета путей сообщения Императора Николая II.

Южакова Р.О.

студент кафедры «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава» Московского государственного университета путей сообщения Императора Николая II.

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ, ПОЛУЧАЕМЫХ МЕТОДОМ ПРЯМОГО ЛАЗЕРНОГО СПЕКАНИЯ

THE INVESTIGATION OF THE POSSIBILITY TO ENSURE THE SURFACE QUALITY OF PARTS THAT PRODUCED BY DIRECT LASER SINTERING

Inozemtsev V.E., PhD of chair "Transport machine building and rolling stock repairs technology rolling stock transport engineering technology and repair", Moscow State University of Railway Engineering (MIIT).

Yuzakova R.O., student of chair "Transport machine building and rolling stock repairs technology rolling stock transport engineering technology and repair", Moscow State University of Railway Engineering (MIIT).

АННОТАЦИЯ

В статье рассматривается целесообразность применения комбинированной обработки в цели совершенствования качества поверхности деталей, получаемых способом прямого лазерного спекания из металлических порошков. Воздействие анодного процесса позволяет обеспечивать требуемое качество деталей при комбинированном способе обработки. При этом способе обработка поверхности достигается благодаря совместному действию режущего инструмента и анодного растворения металла под воздействием электрического тока в растворе электролита. Применение этого способа позволяет получать при обработке легкоплавких металлов и их сплавов более высокое качество поверхности, чем при обработке традиционным способом.

ABSTRACT

The article describes the feasibility for using of anodic treatment for the purpose of improving the surface quality of parts produced by direct laser sintering of metal powders. The impact of the combined process allows to provide the required quality of the items in the combined machining method. In this method surface machining the achievement of quality achieves through the joint action of the cutting tool and the anodic dissolution of metal under the influence of an electric current in an electrolyte solution. Application of this method allows to obtain the processing of fusible metals and alloys of higher surface quality than conventional processing method.

Ключевые слова: металлы, алюминий, сплавы, обработка, шероховатость, параметры, качество, поверхность, формообразование, исследование.

Keywords: metals, aluminum, alloys, machining, roughness, parameters, quality, surface, forming, investigation.

Исследованием процессов лезвийной обработки алюминиевых и других сплавов занимаются многие учёные, в том числе специалисты из университета Клемсона в Международном Центре автомобильных исследований [1]; Технологического университета Северного Техаса Discovery Park [2] и многие другие [3 -7]. Большой ассортимент сплавов на основе алюминия, количество которых обусловлено технологическими требованиями различного уровня, указывает на необходимость определения рациональных методов и технологических подходов к их обработке, снижая трудоёмкость процессов за счёт сокращения числа операций, сокращении основного технологического времени и повышая качество продукции.

Механическая обработка материалов на основе алюминия и меди сопровождается задирами на поверхности [5], выходящей из-под резца, а также налипанием удаляемого материала на режущую кромку инструмента, что приводит к снижению эффективности процесса резания, повышенному тепловыделению и износу инструмента. Для достижения высокого качества поверхности при ре-

зании силуминов рекомендуется использовать специальные режущие пластины с алмазоподобным углеродным покрытием и другими износостойкими покрытиями. При этом режущий инструмент должен обладать большим передним углом, малым радиусом округления режущей кромки р и малым радиусом вершины инструмента г. Для увеличения теплоотвода в отдельных случаях, когда ведётся обработка тонкостенных втулок, целесообразно использовать СОТС. Также в целях снижения шероховатости возможно добавление в СОТС химических реактивов, снижающих прочность удаляемого слоя материала. Комбинированная анодно-механи-ческая обработка силумина с применением раствора каустической соды позволила получить поверхность с шероховатостью Ra 0,6 - 0,7, скорость резания V составила 214 м/мин, подача S составила 0,05 мм/об, глубина резания t соответствует 0,5 мм. В качестве режущего инструмента использовались сменные режущие пластины из твёрдого сплава с покрытием ТС^ имеющие чашечную форму.

Перечнем научных исследований были сформулированы основные положения и рекомендации,

связанные с определением соответствующих режимов обработки, выбором условий среды резания и требования, которым должен отвечать применяемый режущий инструмент. Но также известно, что существуют нетрадиционные способы формообразования, представляющие собой комбинированную обработку, которая может включать механическое, электрическое и химическое воздействие на обрабатываемую поверхность. Комбинированные методы обработки обладают широким спектром управляемых факторов, влияющих на уровень качества формируемой поверхности, и поэтому являются удобными и эффективными в применении при процессах формообразования деталей из труднообрабатываемых и неоднородных материалов.

Существует отдельная группа способов комбинированной обработки, сочетающих методы воздействия на поверхность с наложением электрического поля. К их числу относится и электрохимико-механический комбинированный метод обработки. Данный метод представляет обработку поверхности за счёт анодного процесса, основными видами воздействия здесь являются механическое силовое и химическое. Как показывают исследования, элек-трохимикомеханический комбинированный метод

обработки является эффективным для достижения требуемых значений шероховатости поверхности деталей из металлокерамических спечённых материалов; металлокомпозитов, получаемых литьём; силуминов и других материалов.

Применение комбинированного способа обработки позволяет обеспечить необходимые параметры качества поверхности даже для деталей с высокой пористостью. Как показали собственные исследования, совмещение гальванического и механического способа обработки заготовок. Спечённых из порошков бронзографита и железогра-фита даёт возможность сохранить высокую пористость поверхности готовых деталей. Применение лезвийной обработки снижает пористость поверхности практически полностью, закрывая поры за счёт смещения основного материала при резании. Таким образом, после лезвийной токарной обработки бронзографита шероховатость при закрытых порах составляет около Ra 0,46 мкм, а при замене лезвийной обработки на комбинированное воздействие шероховатость составляет около Ra 5,2 мкм (рис.1).

Рис. 1. Влияние технологии обработки поверхности брознографита на пористость поверхности (а - лезвийная обработка, Ь - комбинированная обработка).

Установлено [4], что чистовую анодно -механическую обработку рекомендуется осуществлять при малых плотностях электрического тока, поэтому основное значение при её выполнении имеют механизмы анодного растворения и механического снятия плёнки движущимся инструментом. Эти процессы происходят преимущественно по вершинам микронеровностей, которые подвержены наиболее интенсивному электрохимическому воздействию и только на них происходит непрерывное механическое удаление плёнки. Во впадинах микронеровностей формируется толстый слой плёнки, играющей защитную роль. В совокупности это при-

водит к непрерывному уменьшению шероховатости, достижению высокой точности и чистоты поверхности.

Как показали результаты исследований, при лезвийной анодно-механической обработке в процессе резания силуминов АЛ2, АЛ3 образование окислов на обрабатываемой поверхности значительно ухудшает протекание электрохимических процессов. Особенно это значимо при анодном растворении алюминиевых сплавов, имеющих высокую способность к окислению [5].

Известно большое влияние состава электролита на показатели электрохимической обработки [5]. В качестве электролита использовались водные растворы №С1 и №N63. Как показали результаты

исследования процессов формообразования, наиболее эффективным является использование 25-30% водного раствора хлорида натрия №0. Дальнейшее увеличение концентрации раствора №0 более 30% снижает влияние анодного процесса на обеспечение требуемой шероховатости поверхности. Согласно исследованиям [5-7] повышение концентрации электролита увеличивает вязкость раствора электролита, что приводит к уменьшению производительности процесса анодного растворения.

Изменение напряжения в электрической цепи при лезвийной анодно-механической обработке также влияет на шероховатость обработанной поверхности. При проведении исследований напряжение в электрической цепи изменялось в диапазоне 12-24 V. Дальнейшее увеличение напряжения приводит к пробою в межэлектродном зазоре. Из приведённых результатов экспериментов следует, что увеличение напряжения в цепи способствует улучшению шероховатости.

Ra,mkm

1,0,7 5

1ЛК6 У 141,6 1 1 0,6

io,5 7

100 150 200 250 300 350 ,ЛгГ1,т1Г1 Рис. 2. Влияние концентрации электролита на качество поверхности силумина.

Также экспериментально установлено, что в процессе анодно-механической обработки изменение скорости резания существенно влияет на шероховатость поверхности формируемой детали. Большое содержание алюминия в образцах исследуемых силуминов (около 87%) способствует увеличению скорости процесса анодного растворения, поэтому обработка осуществлялись на высоких скоростях при использовании таких условий травления, которые позволяют снизить уровень шероховатости. Результаты исследований показали, что минимальная шероховатость обработанной поверхности силуминов достигается при скоростях резания в диапазоне 200-300 м/мин.

Также было установлено, что шероховатость обработанной поверхности достигает Ra < 0,60 мкм при использовании 30% водного раствора №С1 при скорости резания 250 м/мин и напряжении электрической цепи 24 V (рис.2).

Формирование шероховатости обработанной поверхности силуминов в условиях анодно-меха-нической обработки состоит из двух последовательных этапов: снятия припуска с помощью лезвийной механической обработки и последующего анодного растворения металла поверхности, вышедшей из-под инструмента. Разработанная ранее математическая модель формирования шероховатости обработанной поверхности [8] при лезвийной анодно-механической обработке силуминов с учётом характера протекания процесса, приобретает следующий вид:

Иг = Й1 + Й2+ЙЗ+Й4-Й5 (1)

где Яг-средняя высота профиля шероховатости;

Ы - составляющая профиля шероховатости, обусловленная геометрией и кинематикой перемещения рабочей части инструмента;

Ь2 - составляющая профиля шероховатости, обусловленная колебаниями инструмента относительно обрабатываемой поверхности;

Ю - составляющая профиля шероховатости, обусловленная пластическими деформациями в зоне контакта инструмента и заготовки;

h4 - составляющая профиля шероховатости, обусловленная шероховатостью рабочих поверхностей инструмента;

h5 - величина изменения профиля шероховатости, обусловленная анодным растворением при лезвийной анодно-механической обработке.

В результате статистической обработки экспериментальных данных модель формирования шероховатости обработанной поверхности для лезвийной анодно-механической обработки имеет следующий вид:

Ra =

е0,106^0,06^0,082

(2)

U.039

СО

где Ra - показатель шероховатости (мкм); V -скорость резания (м/мин); ю - концентрация электролита (%); и - напряжение электрической цепи (V).

Также проведена оптимизация условий формирования шероховатости обработанной поверхности силуминов при развёртывании методом анодно-механической обработки. Принцип действия лезвийной анодно-механической обработки при развёртывании несущественно отличается от лезвийной анодно-механической обработки точением. Особенность данных процессов формирования шероховатости поверхности заключается в ином взаимодействии режущего инструмента с поверхностью заготовки. Таким образом, при развёртывании кромка режущей части инструмента позволяет получить основные геометрические параметры, а последующий процесс анодного растворения формирует окончательные геометрические параметры обработанной поверхности.

В результате полученная математическая модель уменьшения шероховатости поверхности лезвийной анодно-механической обработки при развертывании имеет следующий вид:

Ra

0,1545 0,039

(3)

Оптимальные условия резания при развёртывании достигаются следующим значениям факторов: V - 20 м/мин, и - 24 V, применение 30% хлорида натрия с добавлением 2% нитрата натрия (шероховатость при развёртывании составила Ra 0,51 мкм).

Как показали проведенные исследования, при анодно-механической обработке оптимальная скорость резания составляет 250 м/мин. Преимуществом чистовой лезвийной анодно-механической обработки силуминов по сравнению с традиционным точением является более низкая шероховатость обработанной поверхности ^а 0,6 мкм против Ra 1,3 мкм) при значительно более низкой (в 1,5 - 3 раза) интенсивности размерного износа инструмента, достигаемого за счёт снижения скорости резания.

Как показали проведенные исследования, при анодно-механической обработке оптимальная скорость резания составляет 250 м/мин. Проведенные стойкостные испытания свидетельствуют о том, что снижение скорости резания при чистовой обработке алюминиевых сплавов позволяет уменьшить интенсивность размерного износа инструмента в 1,5 - 3 раза при значительно меньшей шероховатости обработанной поверхности (снижение более, чем в два раза). Исходя из этого преимуществом чистовой лезвийной анодно-механической обработки силуминов по сравнению с традиционным точением является более низкая шероховатость обработанной поверхности (Яа 0,6 мкм против Ra 1,3 мкм) при значительно более низкой ( в 1,5 - 3 раза) интенсивности размерного износа инструмента, достигаемого за счет снижения скорости резания. При использовании традиционного чистового точения

минимальная шероховатость достигает Ra 1,25 -1,3 мкм. Поэтому для достижения шероховатости Ra 0,6 мкм в этом случае необходимо вводить дополнительные технологические операции финишной обработки, которые значительно увеличивают трудоёмкость всего технологического процесса механической обработки деталей из силуминов.

Метод электрохимикомеханической комбинированной обработки позволяет управлять качественными показателями в процессе формообразования поверхности, в результате способствуя достижению необходимого уровня параметров качества поверхностного слоя.

В настоящее время расширяется применение новых аддитивных технологий формообразования деталей без снятия припуска. Технология Rapid Prototyping представлена различными методами выращивания деталей из различных типов материалов, которые представляют собой послойное формирование трёхмерных объектов. Одним из таких способов является лазерное спекание порошков SLS (Selective Laser Sintering). Этот метод позволяет выращивать детали из гранул порошков различных металлов и имеет также название прямого лазерного спекания металла DMLS (Direct Metal Laser Sintering). Данный метод позволяет формировать детали из широкого спектра металлов: от легкоплавких до тугоплавких жаропрочных металлов и их сплавов. Такая технология имеет большие перспективы и постоянно совершенствуется, но в данный момент также остаётся актуальным вопрос о получаемом качестве поверхности деталей, созданных по технологии DMLS. Как известно [9], шероховатость поверхности после её формирования с помощью послойного лазерного спекания металлов может достигать порядка Ra 8,75, что в большинстве случаев не удовлетворяет требованиям качества поверхности готовых деталей. Для повышения качества поверхности используются финишная отделка выращенной поверхности полированием, пескоструйная обработка, очистка в центробежной машине в жидком растворе поверхностно-активных веществ, полирование ручным способом (до Ra 0,025).

Следовательно, как показывает практика, в большинстве случаев приходится использовать дополнительные операции для окончательного формирования поверхности детали. В данном случае применение комбинированного воздействия водных растворов солей с выбором соответствующих электрических параметров, в зависимости от вида металла детали, позволит упростить процесс финишной обработки поверхности, заменив его анодным растворением верхнего слоя, которое можно совмещать с любым дополнительным механическим воздействием. При этом влиять на качество формообразования возможно за счёт химического состава жидкой среды, электрических параметров, времени, вида и степени механического воздействия, а также исходных параметров, задаваемых режимами лазерного спекания гранул металла -энергии лазерного луча и скоростью спекания.

0,03.^0,35

V

Список литературы

1. Mathew A. Kuttolamadom, Sina Hamzehlouia, Laine Mears M.. Effect of Machining Feed on Surface Roughness in Cutting 6061 Aluminum. URL: http://www.clemson.edu/manufacturing- lab/ docments/publications/

kuttolamadom%25202010b.pdf

2. Nourredine Boubekri, Vasim Shaikh. Machining using minimum quantity lubrication: a technology for sustainability. URL: http://www.ijastnet.com/journals/Vol_2_No_1_Januar y_2012/13.pdf

3. Подураев В.Н.. Резание труднообрабатываемых материалов. М. Высшая школа. 1974. С. 469470, С. 494.

4. Иноземцев В.Е. Обработка металлокерамики. Научные труды международной научно-практической конференции «Фундаментальные проблемы и современные технологии в машиностроении». - М.: Машиностроение 2010. 571 с.

5. Kulikov M.Yu., Inozemtsev V.E., Myo Naing Oo. Technological method for the finishing process of fusible alloy Precision Machining VII. Selected, peer

reviewed papers from the 7th International Congress of Precision Machining (ICPM 2013), October 3-5, 2013, Miskolc, Hungary. pp. 224-228.

6. Anna Carla Araujo1, Adriane Lopes Mougo, Fabio de Oliveira Campos. Micro milling cutting forces on machining aluminum alloy. http://minds.wiscon-sin.edu/bitstream/handle/ 1793/65377/0064-1.pdf?se-quence=1

7. Ковенский И.М., Кусков В.Н., Прохоров Н.Н.. Структурные превращения в металлах и сплавах при электролитическом воздействии. Тюмень ГНГУ, 2001. С.115.

8. Куликов М.Ю., Иноземцев В.Е., Мо Наинг У. Способ улучшения качества поверхностного слоя с помощью комбинированной механо-элек-трохимиической обработки. Сборник научных трудов «Висош тенологп в машинобудувант» Харьковский политехнический институт. №1 2012. С. 168 - 170.

9. Портал Stratasysdirect.com

https://www.stratasysdirect.com/resources/direct-

metal-laser-sintering-dmls/

Квасневський В.М.

КНУБА (Кшвський нацюнальний унгверситет будгвництва i архтектури), астрант БАЗОВ1 ПРИНЦИПИ ПОБУДОВИ УРМ (УН1ВЕРСАЛЬНО1 РОЗРАХУНКОВО1 МОДЕЛ1)

BASIC PRINCIPLES OF CONSTRUCTION UCM (UNIVERSAL CALCULATION MODEL)

Kvasnevskyi V., KNUCA (Kyiv national university of construction and architecture), postgraduate

АНОТАЦ1Я

У данш робот проведено короткий аналiз юнуючих моделей конструкцш, а саме фiзичноi модет, конструктивно! та розрахунково!. Описана проблема взаемодп мiж архiтектором та конструктором на ста-ди проектування будiвельного об'екта. Запропонована концепцiя унiверсальноi' розрахунково! модели Описана структура дано! моделi та наведет алгоритми генерацii дано! моделi на основi архггектурно!.

ABSTRACT

In this paper a short analysis of the existing models of structures, such as physical models, design and calculation was implemented. The problem of interaction between the architect and designer at the design stage of construction of the object was described. The concept of the universal calculation model was proposed. We describe the structure of the model and the generation algorithms of this model based on the architecture model.

K^40Bi слова: модель, фiзична модель, конструктивна модель, розрахункова модель, УРМ, САПР, стик.

Keywords: model, physical model, constructive model, calculation model, the UPC, CAD, joint.

Вступ

На даний момент гснуе величезна кшьккть систем автоматизованого проектування (САПР), яш значно спрощують процес розробки будiвельних об'ектiв. Серед них можна видiлити окремий клас САПР, яш призначенi для розрахунку будiвельних i машинобудiвних конструкцiй, до таких систем можна вщнести: Л1РА САПР, STARK ES, SCAD.

Кожен з цих програмних комплекав е багато-функцiональним, реалiзуе технологiю шформацш-ного моделювання будинкiв (BIM), орiентований для проектування та розрахунку будiвельних i ма-шинобудiвних конструкцiй рiзного призначення.

Основною проблемою на сьогоднiшнiй день залишаеться взаемодiя архiтектора i конструктора при проектувант того чи шшого будiвельного об'екта.

Архiтектор працюе з архггектурно! моделлю з використанням проектних рiшень i вимог користу-вача. На етат проектування архiтектор повинен па-м'ятати, що його модель тзтше буде передана т-женеру-проектувальнику будiвельних конструкцiй.

Для подальшого аналiзу необхiдно визначити деякi термiни. В рамках прикладу розглянемо три види моделей конструкцш:

1. Фiзична модель, вона ж архггектурна модель. I! головна ознака - строга вщповщтстъ фо-рми елементiв моделi того, що повинно бути зве-дено в реальностi. Фiзична модель - розширений результат роботи архггектурних BIM-пакетiв. Строго кажучи, навiть плоск плани будiвлi можна вважати дуже простою фiзичною моделлю, але ми обмежимося розумiнням того, що результат моде-