Научная статья на тему 'Размерный анализ операций лазерного спекания изделия'

Размерный анализ операций лазерного спекания изделия Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY
79
16
Поделиться
Ключевые слова
РАЗМЕРНЫЙ АНАЛИЗ / БЫСТРОЕ ПРОТОТИПИРОВАНИЕ / ЛАЗЕРНОЕ СПЕКАНИЕ / РАЗМЕРНАЯ СХЕМА / РАЗМЕРНАЯ ЦЕПЬ / СЛОЙ / ЛАЗЕР / ИСТОЧНИК / ДЕФОРМАЦИЯ / DIMENSIONAL ANALYSIS / RAPID PROTOTYPING / DIMENSIONAL DIAGRAM DIMENSIONAL CIRCUIT LAYER / LASER SOURCE / DEFORMATION

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Новосёлов Юрий Константинович, Яглицкая Анна Сергеевна, Иванченко Павел Анатольевич

Рассмотрен метод лазерного спекания при изготовлении детали, представлены упрощённая размерная схема выращивания слоя, а так же схемы с учётом структурных изменений материала, размерные цепи, выполнен анализ изменения слоя.

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Новосёлов Юрий Константинович, Яглицкая Анна Сергеевна, Иванченко Павел Анатольевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

SIZE ANALYSIS OF OPERA TIONS LASER SINTERING ARTICLES

The method of laser sintering in the manufacture of parts, presented a simplified diagram dimensional cultivation layer, as well as schemes taking into account the structural changes of the material, the dimensional chain, the analysis of changes in the layer.

Текст научной работы на тему «Размерный анализ операций лазерного спекания изделия»

Известия ТулГУ. Технические науки. 2016. Вып. 8. Ч. 2 УДК 621.9.65.015.13

РАЗМЕРНЫЙ АНАЛИЗ ОПЕРАЦИЙ ЛАЗЕРНОГО СПЕКАНИЯ

ИЗДЕЛИЯ

Ю.К. Новосёлов, А.С. Яглицкая, П.А. Иванченко

Рассмотрен метод лазерного спекания при изготовлении детали, представлены упрощённая размерная схема выращивания слоя, а так же схемы с учётом структурных изменений материала, размерные цепи, выполнен анализ изменения слоя.

Ключевые слова: размерный анализ, быстрое прототипирование, лазерное спекание, размерная схема, размерная цепь, слой, лазер, источник, деформация.

На основе литературных источников [1 - 4] установлено, что на сегодняшний день существуют частные методики расчета погрешностей, возникающих в технологиях быстрого прототипирования. Для решения практических задач нужны более общие методики, позволяющие рассчитать выходные параметры точности.

Отсутствие таких методик и моделей технологических операций не позволяет проводить оптимизацию процесса. Наиболее рациональные условия выполнения технологических процессов создаются на основе опыта и проведения экспериментальных исследований. Интегрированные технологии применяют в единичном и мелкосерийном производстве, для каждой номенклатуры изделий проведение таких исследований невозможно, а общие рекомендации не учитывают все многообразие материалов, конструкций и режимов.

Технологии формирования трехмерных объектов не путем удаления материала (точение, фрезерование, электроэрозионная обработка) или изменения формы заготовки (ковка, штамповка, прессовка), а путем постепенного наращивания (добавления) или изменения фазового состояния вещества в заданной области пространства интенсивно развиваются. Из них значительного прогресса достигли технологии послойного формирования трехмерных объектов по их компьютерным образам. Эти технологии наиболее известны как технологии быстрого прототипирования (RP - Rapid Prototyping) [2, 4, 7, 8].

Существуют различные RP-системы, производящие модели по различным технологиям и из различных материалов.

Целью данной статьи является повышение производительности при быстром прототипировании сложнопрофильных изделий за счет размерного анализа технологических процессов на стадии их проектирования.

В соответствии с поставленной целью рассмотрены варианты составления технологических размерных схем для наиболее распространенных методов. Выполнен анализ источников погрешностей, возникающих

при прототипировании. Обосновано применение методов анализа и математического моделирования погрешностей, дана оценка значимости погрешностей с целью обоснования допущений и расчётных схем. В отличие от обычного размерного анализа процесс рассматривается не только в пространстве, но и во времени.

Размерный анализ процессов прототипирования наиболее актуален, когда к детали предъявляются более высокие требования по точности изготовления и когда после изготовления детали подвергаются механической обработке.

Указанные требования можно решить за счёт создания более точного оборудования и технической оснастки, что приводит к повышению себестоимости изделий. Кроме того, это, как правило, не решает проблемы, поскольку не позволяет выявить причины появления погрешностей и принять эффективные меры по их устранению.

С точки зрения размерных связей можно выделить две основные группы прототипирования. К первой относятся методы, при применении которых пространственное расположение очередного слоя определяют его координатами относительно базовой поверхности, ко второй, при применении которых задают толщину нанесённого очередного слоя. Вполне очевидно, что методы размерного анализа для этих групп будут существенно различаться.

Для обоснования последовательности анализа и отработки системы обозначений размеров рассмотрим упрощённую схему (рис. 1).

Для начала будем считать что «0» оборудования совпадает с базой. На схеме база обозначена вертикальной нулевой линией, 0-т1-т2, где т - текущее время работы. Программой оборудования задано расположение верхней границы первого слоя, размер А1, и определена его исходная толщина И.

В момент т1 производят спекание первого слоя (рассматривается случай лазерного спекания) выделяется много тепла, в результате которого изменяется размер первого слоя на величину АИ^. В результате размер

первого слоя после окончания спекания Иц = И + АИ^.

Дальше наносят второй слой. За время нанесения и выравнивания второго слоя температура первого слоя уменьшается, в результате чего снижаются его тепловые деформации. На момент окончания нанесения и выравнивания остаточные деформации обозначены АИ^ (т) и

И1д (т) = И1 + АИ1д (т).

Толщина второго слоя при Т1 £ т £ Т2 в соответствии с размерной цепью будет И2(т) = ^2 - И^ (т). В момент времени Т2 происходит спекание второго слоя, в результате воздействия температуры его размер увели-

чивается на ДЬ2д. В текущий момент времени при т > Т2 д (т) = ^2 + Д^2д (т) - Д/^д (т), а размер до верхней границы слоя после остывания определяется как В2 = А2 - ДЬ^д (Т2).

Рис. 1. Упрощённая размерная схема

Проведём анализ погрешностей прототипирования при изготовлении наиболее простой детали типа цилиндра. Вариант производства такой детали рассматривается на рис. 2.

Размер от начала координат до верхней границы нанесённого слоя А1 определяется как сумма трёх величин: размер, предусмотренный программой оборудования А1пр, закономерными погрешностями А1з и случайными погрешностями ДА^:

А1 = А1пр +Мз + Ма. (1)

Закономерные погрешности определяются погрешностями системы отчёта оборудования, точностью изготовления устройства для нанесения слоя, параметрами материала наносимого слоя.

Случайные погрешности возникают вследствие наличия вектора возмущающих воздействий ^ [5]. Можно считать, что они имеют закон нормального распределения и центрированы относительно математического ожидания первых двух согласных.

38

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Кроме рассмотренных, верхняя граница первого слоя может иметь пространственные отклонения (например, непараллельность, волнистость и другие).

Рис. 2. Заготовка типа цилиндра, изготовленная методом

лазерного спекания

Размер от верхней границы слоя до базы в рассматриваемой размерной цепи будет являться замыкающим звеном. Он рассчитывается как разность

А1_б = А1 - Аб, (2)

где Аб - размер от начала координат до базы.

По уравнению (2) также определяется толщина первого слоя И1.

Известно, что допуск замыкающего звена при расчёте размерных цепей по максиму, минимуму равен сумме допусков составляющих звеньев. На основании этого

5 А1 - б = 5 А1 + 5б, (3)

^ А1 - б = А А1 + 6а А1 + А Аб + Аб . (4)

Таким образом, отклонения размера верхнего слоя поверхности от базы определяются закономерными и случайными отклонения размера до базы и размера до слоя в системе координат оборудования. Среднеквадра-тическое отклонение суммы случайных погрешностей в уравнении (4) может быть определено по сумме дисперсий [10].

Уравнения (1) - (4) дают возможность рассчитать размеры и отклонения (допуски) для 1-го слоя после его нанесения. Дальнейшее изменение этих размеров наблюдается при проведении процедуры спекания (отвердевания).

Выполним анализ таких изменений на основе более детальной размерной схемы (рис. 3). В границах времени т = т2 происходит спекание первого слоя. При этом изменяются координаты его верхней границы вследствие изменения плотности и структуры ЛЛст, температуры ЛАщ,

что представлено на рис. 3 ломаной линией.

Таким образом, размер верхней границы слоя относительно базы определяется

Л\-б = Л1-б - ЛЛ1ст + ЛЛ1д . (5)

Изменение размеров вследствие структурных и температурных деформаций могут быть весьма значительными. Поэтому нанесение следующего слоя выполняют через заданный интервал времени т.

В связи с этим уравнение (5) следует дополнить слагаемым, определяющим изменение координаты слоя в течение времени Т1 < Т < Т 2:

Л'!-б = 4-б - ЛЛ1ст + М? - М?(т) . (6)

» Т1 Т2 Гп Т

Рис. 3. Размерная схема процесса лазерного спекания

Каждое из слагаемых уравнения (6) может содержать как закономерные, так и случайные составляющие. Например, закономерные структурные изменения размеров зависят от состава исходного сырья, температуры окружающей среды и ряда других факторов. Аналогично (4) вычисляется и допуск замыкающего звена размерной цепи.

Таким образом, результирующий размер А\_б по уравнению (6)

определяется 12 компонентами, каждый из которых требует оценки и определения. При полном остывании нанесённого слоя в уравнении (6) остаются только два первых слагаемых.

Размерный анализ процесса нанесения второго слоя выполним с момента времени т, после окончания спекания первого слоя (рис. 3).

Для второго слоя остаются справедливыми уравнения (2) - (4). Однако для расчёта толщины наносимого слоя, которая определяет величину структурных и температурных изменений, требуется дополнительное уравнение, которое в соответствии с рис. 3 определяется так:

¿2 = А - Мст + ЛА1д ~ ЛА1д (т). (7)

В состав уравнения (7) не входит размер от начала координат до базы, поскольку роль базы для него выполняет верхняя граница первого слоя.

Проводя размерный анализ процесса выращивания детали, начиная от первого слоя до последнего, можно рассчитать текущие размеры и их отклонения после любого п-ого слоя и размеры готовой детали.

При этом при расчёте кп необходимо учитывать не только тепловые деформации предшествующего слоя, но и нижестоящих слоёв. Уравнение (7) будет иметь вид

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

п п-1

К = Ап - АЛпсс + I АА1д - I АА1д (т).

1=1 1=1

Для решения практических задач необходимы также данные и методы расчёта максимально и минимально возможных размеров. Рассмотрим возможные варианты уравнения (1) (рис. 4).

Рис. 4. Схема метода максимальных и минимальных размеров

Возможны следующие варианты для расчёта максимального размера верхней границы первого слоя от нуля оборудования: а) закономерные отклонения положительны:

А1 тах = А1 + Мз + 3°Ь (8)

б) закономерные отклонения отрицательны:

4max = A -Мз + . (9)

Для расчёта минимальных значений 1 -го звена

A min = A + Мз - 3si; (10)

A min = A-AAb -3oi. (11)

Данные о направлении и значениях закономерных отклонений могут быть получены либо расчётом, либо экспериментально, случайных отклонений - экспериментально.

Размеры первого слоя от базовой поверхности соответственно (2)

равны:

A1 max _ A1 max - Аб min ;

A1 min _ A1 min - Аб max, где максимальные и минимальные размеры базы определяются четырьмя уравнениями (8) - (11).

Разработанная методика размерного анализа процессов лазерного спекания позволяет технологу рационально применять на этапе подготовки производства изделия средства проектного моделирования (CAD/САМ-системы), обеспечивающие уменьшение временных и материальных затрат технологических и конструкторских работ, процессов изготовления технологической оснастки, увеличение качества выпускаемых изделий и конкурентоспособности новой модели изделия.

Список литературы

1. Размерный анализ технологических процессов / В.В. Матвеев [и др.]. М.: Машиностроение, 1982. 264 с.

2. Интегрированные технологии ускоренного прототипирования и изготовления: монография / под ред. д-ра техн. наук Л.Л. Товажнянского, д-ра техн. наук А.И. Грабченко. Харьков: ОАО «Модель Вселенной», 2005. 224 с.

3. Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюров А.И. Технологические процессы лазерной обработки: учеб. пособие для вузов / под ред. А.Г. Григорьянца. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. 664 с.

4. Применение технологий быстрого прототипирования в дизайнерском проектировании / С.Н. Зыков [и др.] // Теория динамических систем в приоритетных направлениях науки, технологии и техники: сборник докладов второй Всероссийской конференции молодых ученых, преподавателей, аспирантов и студентов. Екатеринбург; Ижевск, 2007. С. 170-176.

5. Кузнецов Ю.Н., Новосёлов Ю.К., Луцив И.В. Теория технических систем: учебник. Севастополь: Изд-во СевНТУ, 2010. 252 с.

6. Размерный анализ конструкций: справочник / С.Г. Бондаренко [и др.] / под общ. ред. канд. техн. наук С.Г. Бондаренко. Киев: Тэхника, 1989. 150 с.

7. Материалы с официального сайта проекта RepRap. [Электронный ресурс] URL: http://reprap.org.

8. Статья К. Афанасьева «3Б-принтеры». [Электронный ресурс] URL: http://www.3 dnews.ru/peripheral/3 d-print/index3 .htm.

9. Материалы с сайта компании Z-Corporation. [Электронный ресурс] URL: http: //www.zcorp.com//

10. Вентцель Е.С. Теория вероятностей: учебник для вузов, 7-е изд. стер. М.: Высшая школа, 2001. 575 с.

11. Масягин В.Б. Совершенствование теории размерного анализа на основе кромочной модели деталей типа тел вращения: автореф. дис. ... д-ра техн. наук. Омск, 2012. 40 с.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Новосёлов Юрий Константинович, д-р техн. наук, проф., sev.novoseloff@yandex.ru, Россия, Севастополь, Севастопольский государственный университет,

Яглицкая Анна Сергеевна, асп., jaglitskaya.niuta@,mail.ru, Россия, Севастополь, Севастопольский государственный университет,

Иванченко Павел Анатольевич, главный конструктор, ivpav@phiolent.com, Россия, Симферополь, АО ««Завод Фиолент»

SIZE ANALYSIS OF OPERA TIONS LASER SINTERING ARTICLES U.K. Novosyolov, A.S. Jaglitskaya, P.A. Ivanchenko

The method of laser sintering in the manufacture of parts, presented a simplified diagram dimensional cultivation layer, as well as schemes taking into account the structural changes of the material, the dimensional chain, the analysis of changes in the layer.

Key words: dimensional analysis, rapid prototyping, dimensional diagram dimensional circuit layer, a laser source, deformation.

Novosyolov Yurij Konstantinovich, doctor of technical sciences, professor, sev. novoseloff@yandex. ru, Russia, Sevastopol, Sevastopol State University,

Jaglitskaya Anna Sergeevna, postgraduate, jaglitskaya. niuta@,mail. ru, Russia, Sevastopol, Sevastopol State University,

Ivanchenko Pavel Anatolievich, chief designer, ivpav@phiolent. com, Russia, Simferopol, JSC «Zavod Fiolent»