Диссертация (Разработка и исследование технологии выращивания объектов методом коаксиального лазерного плавления порошковых материалов), страница 6

Однако, для используемойтехнологической операции, а именно – выращивание сложных трехмерныхобъектов на воздухе, без поддержек и дополнительных креплений, данногонабора осей, очевидно, недостаточно.3.Наклонно-поворотныйстол.Длярасширениявозможностейоборудования необходим наклон направления оси выращивания относительноначальной нормали к подложке. При наклоне технологической головы (Рисунок2.5) как в процессе выращивания, так и между проходами, возникаетнестабильность подачи порошка в зону лазерного воздействия.

На струюпорошка будет дополнительно действовать гравитационная сила, которая вноситизменения в траекторию движения частиц присадочного материала. Это ведет кнесимметричности нанесенных валиков и к снижению эффективностииспользования присадочного материала. В вертикальном положении головынестабильность подачи порошка также может возникнуть, например, вследствиебольших динамических нагрузок на технологическую голову при ускорениях и32торможениях на краях прямолинейных отрезков. Чтобы избежать этого, впрограмме управления предусмотрены входы и выходы из рабочей траектории.Кроме всего вышесказанного, вертикальная, жесткая компоновка головыпозволяет упростить ее обслуживание и снабжение устройствами контроляпроцесса.Рисунок 2.5.Схема компоновки координатной системы, в которой деталь вращается вгоризонтальной плоскости (XYZA – B), технологическая голова наклоняетсяКинематическиесистемысподобнымманипуляторомдеталейнеобходимы не только для выращивания цилиндрических объектов, но и длясозданияразвитойгеометрии:сналичиемнесколькихнаправленийвыращивания, расположенных друг относительно друга пол любым углом(Рисунок 2.6).

Этот угол необходимо соблюдать с высокой точностью, несмотряна значительную массу выращенных заготовок, совместно с оснасткой,креплениями и другими элементами. Использование позиционеров наэлектродвигателях постоянного тока, даже с редукторами, часто не обеспечиваеттребуемойточностипозиционированияидиапазонанаклонов.Воспроизводимость геометрической формы деталей, выращенных на такомкомплексе, будет низкой, поскольку при обработке сложных деталей количествоизменений направления оси выращивания может достигать нескольких десятков.33а)б)Рисунок 2.6.Примеры разбиения деталей на слои с множеством локальных осейвыращивания, а – послойная смена плоскостей выращивания, б – сменаплоскостей выращивания по блокамПроведенныйанализтехнологическихкомплексовзарубежныхпроизводителей показывает, что наиболее функциональной для технологиикоаксиального лазерного плавления является схема пятикоординатной системыперемещения с управлением от специально разработанных программ.В настоящее время уже не вызывает непреодолимых сложностейобъединение мощного газового или волоконного лазера с кинематическойсистемой перемещения.

Однако далеко не все технологические головы способнывыдержать длительный процесс выращивания без повреждений оптическойчасти. Рассмотрим существующие примеры установок по двум критериям –работоспособность кинематической системы и стабильность технологическойоснастки.342.2. Известные комплексы для коаксиальной лазерной обработкиматериаловРодоначальником работ в данной области является система DMD фирмыPOM (Рисунок 2.7.). Комплекс создавался в США в первую очередь для авиациии для космической отрасли.В различное время выпускалось несколько модификаций установки: наоснове робота и на основе шестикоординатной системы. Система перемещения,основанная на роботе-манипуляторе, работает в G-кодах. Она вполне пригоднадля ремонта деталей и нанесения локальных участков, однако низкая точностьперемещений не позволяет использовать ее для выращивания отдельныхобъектов.

Пятикоординатный комплекс, в отличие от робота, способенобеспечить более высокую точность, а шестая степень свободы – вращениетехнологической головы, как у установки DMD 5050, зачастую приводит кнарушению стабильности подачи порошкового материала.Рисунок 2.7.Комплекс DMD5050 фирмы POM [28]Значительный интерес вызывает ряд систем, созданных институтомFraunhofer (Германия). Так, созданный на основе обрабатывающего центра35станок Hermle C 800 U (Рисунок 2.8), позволяет контролировать температуруметалла в процессе выращивания. Заявленная производительность (2,4 кг/ч) –практически в два раза выше, чем у аналогичного по мощности комплексафирмы DM3D, обусловлена коаксиальным соплом и возможностью наноситьширокие валики.Рисунок 2.8.Комплекс Hermle C 800 U [29]Еще один комплекс, интересный с точки зрения кинематики – французскийкомплекс Fives-Group, под названием 5-Axis Laser Center (Рисунок 2.9).Предназначендляобработкидеталейкосмической,энергетическойпромышленности, медицины, вся оснастка комплекса выполнена на гранитномосновании.

Консольный наклонно-поворотный стол упрощает погрузкукрупногабаритных деталей, однако снижает точность позиционирования.36Благодаря открытой кабине, комплекс способен обрабатывать детали диаметромдо 700 мм.Рисунок 2.9.Комплекс 5-Axis Laser Center [30]В разработанном отечественном комплексе принята пятиосевая схема(Рис.

2.10), состоящая из 3-х линейных координат – X, Y и Z и 2-х вращательныхкоординат – А и В. При этом, вращение по оси В осуществляется непрерывно, апо оси А – в пределах от -135 до +135o. Комплекс запатентован в ФИПС [31].Наклонно-поворотный стол имеет две опоры, поэтому деформации системы,вызванныеконсольныминагрузками,исключены(Рисунок2.11).Грузоподъемность стола достигает 0,5 тонны, точность сохраняется на уровне 1угловой секунды.37Рисунок 2.10.Принятая кинематическая компоновка комплекса для выращиваниядеталейРисунок 2.11.Наклонно-поворотный стол, установленный в комплексе длякоаксиального лазерного плавленияНаиболее близкой по параметрам к разработанному комплексу являетсясистема MAGIC LF6000 фирмы Irepa Laser (Рисунок 2.12). Пятиосеваякинематическая схема на гранитном основании, технологическая голова скоаксиальной подачей – позволяют осуществлять процесс выращивания свысокой точностью.38Рисунок 2.12.Комплекс для выращивания деталей Easy CLAD Magic FL6000 отIrepa Laser [32]По достигнутым параметрам точности разработанный отечественныйкомплекс является уникальным.

Воспроизводимость системы перемещениядостигает менее 12 мкм по любой из трех осей.Используемые линейные двигатели не имеют люфтов, которые неизбежныв традиционых шарико-винтовых передачах с редукторами и без них. Обратнаясвязь по положению позволяет в любой момент времени контролироватьположение технологической головы, а также положения выращиваемой деталии технологической оснастки в объеме рабочей камеры.В результате крепления линейных направляющих непосредственно награнитный корпус жесткость комплекса является максимальной. Наклонноповоротный стол так же закреплен на гранитном основании, поэтомудопустимые для кинематики скорости и ускорения удовлетворяют требованиямтехнологии.Крометого,столявляетсябезредукторным,позволяетпозиционировать деталь в широком диапазоне углов с точностью в 10 угловыхсекунд.2.3.

Технологические особенности разработанного комплексаРазработанныйкомплексимеетвсвоемсоставенесколькотехнологических особенностей, направленных на упрощение работы с ним и39повышениекачествавыращенныхдеталей.Оченьважныйпоказательсовременного комплекса – простота управления и удобство быстройперенастройки на новую деталь.2.3.1. Датчик расстоянияВ процессе выращивания объектов тепловое поле, распространяющееся взаготовке, напрямую зависит от геометрии. Любое утонение и выступ могутсоздать перегрев в зоне выращивания и, как следствие, утолщение выращенногослоя. Накопленное за несколько слоев утолщение приводит к появлениюдефектов (Рисунок 2.13).

Существует несколько вариантов корректировкипараметров режима: контроль вводимой энергии, либо чтобы сгладить такиевыступы в длительном процессе, необходимо вводить корректирующий слой.Дальнейший процесс продолжается с уровня, наиболее близкого к уровнюметалла, выращенного по факту.Рисунок 2.13.Примеры выращенных стенок [33]: а – без использованиятехнологических приспособлений; б – с использованием технологическихприспособлений; в – с автоматическим контролем вводимой теплотыБольшинство комплексов для выращивания имеют обратную связь –контроль размеров в процессе выращивания заготовки. Существует несколькоспособов измерения размеров выращенного валика.