Диссертация (Разработка и исследование технологии выращивания объектов методом коаксиального лазерного плавления порошковых материалов), страница 5

В настоящее время она применяется уже не как экспериментальнаятехнология, а как регламентированный процесс обработки заготовок. Наиболеечастое применение лазерной обработки порошковых материалов - созданиезащитных и функциональных покрытий на новых и изношенных деталях.Лазерный луч позволяет наносить материалы практически без влияния наосновной металл. Если раньше доступные промышленные лазеры имели25мощности не более 1 кВт, то с разработкой диодных и волоконных источниковстали доступны мощности 3-8 кВт, а также фокусировка в прямоугольное пятно.В серийном машиностроении наиболее востребованными являютсявысокопроизводительные технологии, например – сравнительно молодоенаправление – создание объектов из порошкового материала.

Эта областьпроизводства находится на стыке таких отраслей, как порошковая металлургия,литье и сварка. Наиболее часто данное направление называют «Аддитивнаятехнология».Удовлетворить требованиям высокой производительности и высокогокачества металла получаемой детали может на сегодняшний день лишь однатехнология: прямое лазерное выращивание из порошкового материала.Существует несколько запатентованных технологий и названий методоввыращивания, наиболее известные из них принадлежат DMD, Huffman иОртомес [19..22].

Методы отличаются способом подачи порошкового материалав зону выращивания и наличием контроля процесса выращивания. Высокиетребования, предъявляемые к деталям (заготовкам деталей), создают рядсерьезных ограничений на оборудование, с помощью которого их получают.В Таблице 3 представлены технические характеристики наиболееизвестных комплексов для выращивания и ремонта деталей [23..26]. Созданныйвпервые в России отечественный технологический комплекс для выращиванияизделий с помощью технологии прямого осаждения порошковых материалов(Рисунок 2.1) имеет схожее с известными мировыми аналогами конструктивноеисполнение и технологическое оснащение. Его технические характеристикипредставлены в Таблице 4.

Анализ Таблиц 3 и 4 говорит о том, что комплексимеет точность, не уступающую большинству известных в мире машинподобного класса, а по некоторым параметрам превосходит их.26Таблица 3.Наиболее известные производители установок для многоступенчатоговыращивания деталей из порошка [19..26]ПроизводительРазмерыполя Количестобработкиво осей(размерызаготовки), мПогрешностьперемещенийпо осямПримечания3 датчика: температуры,размеровдеталиихимическогосоставапаров;производительность до1,2 кг/ч2технологическихголовынавыбор;Производительность до1,4 кг/чКонтролируемаяатмосфераDMDPOM 0,86x0,86 х0,65050 (США) –Trumpf(Германия)6Линейныеперемещения– 12 мкмEasy CLAD1,5х0,8х0,8 (Ø 0,6)MAGIC LF6000(Франция)5-Huffman HP115CL0,762 x 0,46 x 0,51мм (Ø 0,6)5DMG MoriLasertec 650,735х0,65x0,65(Ø 0,630)5Линейныеперемещения– 67 мкм/м,угловая – 20угловыхсекундЛинейные – 8 Производительность домкм3,5 кг/чInsstecMX-4 0,45х0,45х0,4(Япония)(Ø 0,25)Optomec LENS 0,9х1,5х0,9840-R (США)5s-group(Франция)1,5х0,8х0,8и110°; 360° (Ø 0,7)Hermle MPA 40 0,8х0,6х0,5от Fraunhofer (Ø 0,5х0,46)(Германия)5-5Линейныеперемещения– 25 мкм,552 датчика, три колбыКонтролируемаяатмосфера (опционально– оптический контрольразмераваннырасплава); до 1,2 кг/чЛинейные - Нет данных20мкм,угловые0.01°ИК камера -измерительтемпературы,встроенный трехмерныйсканер;производительность до2,4 кг/ч27Таблица 4.Технические характеристики разработанного комплекса№ Наименование1Ед.Рабочий ход продольной оси Х (горизонтальная ммЗначение510плоскость), не менее2Рабочий ход продольной оси У (горизонтальная мм510плоскость), не менее3Рабочий ход вертикальной оси Z, не менеемм5104Рабочая нагрузка оси Z, не болеекг255Погрешность позиционирования по линейным мкм/м30осям, не более6Погрешность позиционирования по угловым угл.координатам, не более610секундГабариты системы в плане, не более (ширина х мм2000х2200длина)7Наибольший вес обрабатываемой детали, не кг500более8Наибольший габарит обрабатываемой детали, мм400х400х400не более9Максимальная средняя мощность лазерного Втизлучения300028Рисунок 2.1.Пятикоординатный комплекс для выращивания деталейМногослойныйпроцессвыращиваниядеталейимеетмножествопараметров, каждый из которых влияет на конечный результат.

Параметрыможно разделить на два основных класса: технологические и кинематические.ОсновныетехнологическиеВоспроизводимостьподдержанияэтихпозволяетпараметрыпараметровобеспечитьпредставленыпривсохранениивоспроизводимостьТаблице5.стабильноститехнологиивбольшинстве случаев.Параметры процесса, обусловленные системой перемещения - создают кнейспециальныетребования,независимоотлазерногоизлученияисопутствующих систем. Этими параметрами являются скорость, ускорение иточность позиционирования рабочего инструмента.

Кроме кинематическихпараметров, немаловажным параметром системы является компоновка осей: ихвзаимное расположение. Современные кинематические системы мощных29технологических лазерных установок различаются по принципу взаимногоперемещения оптики и изделий и разделяются на следующие крупные классы.Таблица 5.Основные технологические параметры технологии прямого выращиванияобъектовПараметрЕдиницаОбычный диапазонизмеренияМощностькВт0,1 … 5Диаметр пятнамм0,2 ... 5Расход порошкаг/мин0,1 … 100Диаметр газопорошковой струимм0,2 ... 5Толщина выращенного слоямм0,2 ...21) Системы с манипулятором изделий, в которых обрабатывающая головканеподвижна, а манипулятор перемещает деталь. В чистом виде таких системпрактически не осталось. Примером таких кинематических схем являетсягравировка в движении, лазерная сварка и резка на твердотельных импульсныхлазерах. Наибольшим ограничением системы являются габариты детали и ее вес.Применение такой системы целесообразно при обработке мелких деталей,например, в технологиях прецизионной резки и сварки.

Для выращиваниядеталей такая система практически не используется.2) Системы с манипулятором оптики, в которых деталь неподвижна, аобрабатывающая головка перемещается специальным манипулятором.Применение такой системы – обработка крупногабаритных деталей.Используется наиболее часто в лазерной резке листового металла и сваркекрупногабаритных конструкций. Варианты реализации – либо с помощьюпортальных систем с числом координат 3 и более, либо на основероботизированных систем перемещения. В силу определенных технологических30аспектов такая система может быть применима для выращивания изделий изпорошковых материалов со значительными ограничениями.3) Системы смешанного типа, в которых перемещаются и обрабатывающаяголовка, и деталь.

Комбинация осей позволяет обрабатывать деталь потрехмерной траектории сохраняя высокую точность позиционирования. Как разтакое исполнение кинематической системы является оптимальным длярассматриваемой технологии.С помощью технологии прямого выращивания получают, как правило,тонкостенные детали, детали, сочетающие тонкие стенки и массивные объемы, атак же массивные детали с внутренними отверстиями и полостями (Рисунок 2.4).Для их выращивания методом прямой подачи порошкового материаланеобходимо реализовать относительное перемещение технологической оснасткипо сложной пространственной траектории.а)б)Рисунок 2.4.Типичные детали, выращиваемые коаксиальной обработкой порошковыхматериалов [27]: а - тонкостенная деталь, б - массивная детальТребования к отдельным осям. В более подробном рассмотрениикинематической схемы любого комплекса видно, что к каждому типу осей, взависимости от выбранной компоновки, предъявляются отдельные требования.Для нашего случая, с манипулятором изделий, и системой перемещениятехнологического инструмента, необходимо выделить ряд особенностей.311.

Горизонтальные оси необходимы для перемещения по осям ОХ и ОУтехнологической головы, Z-оси и всех каналов питания, снабжения охлажденияи т.п. без вибраций и люфтов. Динамические нагрузки высокие, повторяемостьперемещений может составлять сотни раз за один запуск процесса выращивания.2. Вертикальная ось, перемещающая голову. Вертикальная ось постояннонагружена всей технологической оснасткой, в связи с чем ее исполнениеявляется более сложным.

В разработанной системе в качестве компенсаторанагрузок от вертикальных ускорений и торможений оснастки используетсяпневмоцилиндр. В обездвиженном состоянии технологическая голова должнаудерживаться усилием в нем. При перемещении вверх или вниз воздух, являясьсжимаемой инерционной средой, сглаживает удары и рывки в системеперемещения. Такое решение позволило получить высокие динамическиехарактеристики, а также повысить ресурс оборудования.Трехосевая система координат является широко используемой встанкостроении. Так, целые классы обрабатывающих станков: лазерные,фрезерные и т.п., реализованы по такому принципу.