Диссертация (Разработка и исследование технологии выращивания объектов методом коаксиального лазерного плавления порошковых материалов), страница 10

Стенка высоты h, шириной в 1 валик.2. Прямоугольный параллелепипед высоты h, шириной В, длиной A.3. Треугольный объект высотой h и координатами А, В, С.4. Цилиндр высотой h, диаметром D.5. Сектор круга диаметром D, углом L.Те же самые фигуры, сужающиеся кверху, выращиваются аналогичнымобразом, с постепенным уменьшением размеров выращиваемой зоны от слоя кслою. Главное условие – чтобы начальная поверхность выращивания была либоплоскостью, либо (в отдельных случаях) цилиндрической поверхностью.Если при стыковке этих объектов габаритные размеры совпадают, толинии одного объекта должны переходить в линии другого объекта безостановки, чтобы снизить краевые эффекты.

Переход по прямолинейной границе64между объектами происходит без изменений направления движения. Если присостыковке объектов возникает несколько вариантов направлений, необходимовыполнять правило, гарантирующее однозначность решения, так как процессразбиения должен проходить в автоматическом режиме.Вырастить расширяющуюся от слоя к слою геометрию гораздо сложнее.Силы поверхностного натяжения металла не позволяют получить широкий валикметалла, висящий в воздухе без опоры. Металл либо срывается с краявыращиваемого объекта, либо сворачивается в валик, не выступающий заграницу вертикального края объекта.

Для выращивания объекта такого виданеобходимо изменять плоскость обработки таким образом, чтобы элементарнаягеометрия в направлении выращивания становилась не расширяющейся, апостоянной или сужающейся. На практике это реализуется поворотом заготовкина некоторый угол до тех пор, пока стартовая площадка выращивания не станетперпендикулярной к оси падающего лазерного излучения.

Комбинацияэлементарных объемов, таким образом, может позволить вырастить деталь,разбиваемую однозначно на простые объемы. Выращивание происходит отплоскости вверх и от оси в различные стороны поочередно, после поворотадетали.Сложнее обстоит дело с деталями, которые не могут быть однозначноразбиты на простые участки даже единственным образом. Их необходимодробить искусственно, многократно. Чтобы использовать эту классификацию,необходимо ввести другой способ разделения на элементарные объемы.В зависимости от кинематической схемы станка, используемого длявыращивания детали, необходимо выделить несколько типовых способовразбиения. По степени сложности выделим три типовых случая разбиения телана элементарные объемы и слои.1.Если все тело можно разбить на элементарные объёмы, не меняянаправления нормали к выращиваемой поверхности, то говорим о трехмернойзадаче выращивания (Рисунок 3.1)65Рисунок 3.1.Разбитая на слои деталь, без использования наклоняющих и вращающих осей2.Еслителоможноразбитьнаэлементарныеобъемыспоследовательным выращиванием, без циклического перебора, то говорим опятикоординатной задаче выращивания без цикла (Рисунок 3.2).

Это наиболеераспространенный вариант обработки деталей без сложных отверстий. Данныйтип деталей наиболее рационален и производителен для выращивания на станкахс пятью активными осями. Частным случаем такой детали является объемнаяспираль (Рисунок 3.3) – каждый элементарный объем представляет из себяотдельный слой выращивания. При выращивании достигается максимальнаяточность и стабильность нанесения материала.Рисунок 3.2.Выращиваемая деталь. а) – классический метод выращивания в трехмернойсистеме координат; б) – выращивание с использованием пятикоординатнойсистемы перемещений; в) – результат – заготовка без подпорок и лишнихвспомогательных объемов66Рисунок 3.3.Разбиение сложной тонкостенной детали на элементарные слоиДеталь, выращенная таким методом, имеет максимальный коэффициентиспользования материала. Экономится материал, который составлял бы цельнуюзаготовку вместо максимально приближенного к детали объема.3.Если тело можно вырастить лишь последовательно меняя плоскостивыращивания в цикле, чтобы завершить геометрию, то речь идет о циклическойпятикоординатной задаче (Рисунок 3.4).

Данный тип деталей возможновырастить только на пятиосевом станке, с последовательным перемещениемдетали и послойным наращиванием. Такие задачи имеют повышеннуютрудоемкость, и их решение требует высокой квалификации и большого опыта.В связи с этим применение методов послойного выращивания при производстветаких деталей должно быть оправдано высокой ценностью и ответственностьюдетали. В противном случае рационально разбивать деталь на более простые, илисоздавать её другими методами. Накопленная при таком подходе разбиенияпогрешность может существенно снизить точность конечной детали.67Рисунок 3.4.Разбиение сложной детали несимметричным способом3.3. Кинематические особенности выращивания объемов скоаксиальной лазерной обработкой порошкового материалаПомимо количества использованных осей системы перемещения иточности этой системы, на свойства выращенного металла и точность размероввлияет еще ряд параметров.

Их можно объединить и обозначить как «стратегияобхода». Рассмотрим одиночный валик и расположенную относительно неготехнологическую голову (Рисунок 3.5).Рисунок 3.5.Схема процесса прямого нанесения порошка68Из схемы видно, что поперечное сечение валика в начале и окончаниипроцесса нанесения имеют не строго прямоугольную форму, а округлую формуснекоторымирадиусамискругления,обусловленнымиповерхностнымнатяжением металла.

Причем, для начальной и конечной точек любого валикаэти радиусы различаются. В результате, вместо идеального наслоения валиков сполучением равномерной высоты слоя (Рисунок 3.6) получается наслоениеваликов: либо «впадина» (Рисунок 3.7), либо «бугор».Рисунок 3.6.Теоретическая окружность, выращенная за один проход прямым нанесениемРисунок 3.7.Смоделированная окружность, выращенная за один проход прямымнанесением, дефект стыкаСмещение между валиками, расположенными в разных плоскостях,называют толщиной слоя. Если подъем технологической оснастки по нормали кпроцессу выращивания происходит с выключенным лучом, дискретно, то можноговорить о дискретном подъеме (Рисунок 3.8).

Существуют частные случаивыращивания, при которых замкнутый контур можно вырастить за один проходв пределах одного слоя, не выключая лазерное излучение (Рисунок 3.9). В этомслучае можно осуществлять подъем головы непрерывно, не выключая лазерный69луч. В некоторых случаях данная стратегия выращивания дает преимущество посравнению с классической заливкой, как по критерию производительности, таки по свойствам материала.а)б)Рисунок 3.8.Цилиндрическая стенка, выращенная дискретно: а - изометрия, б - вид сбокуа)б)Рисунок 3.9.Цилиндрическая стенка, выращенная непрерывно: а - изометрия, б - вид сбокуНа основании изложенных данных, для сравнения производительности истабильности процесса выращивания цилиндрических стенок, проведена серияэкспериментов с реализацией различных стратегий обхода.70На разработанном опытном образце установки проведено выращиваниеобъектов толщиной 5, 10, 15 и 20 мм из порошка нержавеющей стали SS316L.Технологические параметры проводимого эксперимента представлены вТаблице 8.

Выращивание объектов проводилось по 3 образца на каждую точку.Были рассмотрены несколько вариантов циклического выращивания объектатипа «цилиндрическая стенка» (Рисунок 3.8-3.9).Таблица 8.Параметры процесса выращивания цилиндрических объектовкоаксиальной обработкой порошковых материаловПараметрМощностьлазерногоЕд. изм.ЗначениеВт1200мм2,0мм/с20мм0,4мкм50..100излученияДиаметр лучаСкорость перемещенияТолщина слояФракционныйсоставпорошка1. Оси ОХ и ОУ + ось Z, непрерывно. Обозначение: «спираль».

Способобработки, при котором голова перемещается по спирали вверх: оси OX и OYсистемы перемещения отрабатывают перемещение по окружности, а ось Zприподнимается вверх плавно, согласованно со скоростью перемещения головыв плоскости.2. Оси ОХ и ОУ + ось Z, ступенчато. Обозначение: «без смещения».Выращивание осуществляется по окружности, с помощью перемещениякоаксиального сопла в плоскости по осям ОХ и ОУ. После создания слоя,процесс останавливается, голова приподнимается на толщину слоя (на одиндискретный шаг) по оси Z, после этого процесс возобновляется с тех жекоординат X и Y.713.