Рыбинск, Россия
Рыбинск, Ярославская область, Россия
ГРНТИ 55.01 Общие вопросы машиностроения
ГРНТИ 55.13 Технология машиностроения
ГРНТИ 55.35 Металлургическое машиностроение
Представлены результаты исследования параметров шероховатости поверхностей заготовок, полученных методом аддитивных технологий (лазерное спекание). Получены зависимости параметра шероховатости Ra от угла наклона поверхности относительно плоскости построения заготовки и угла поворота поверхности относительно движения ножа.
заготовка, аддитивная технология, метод лазерного спекания, шероховатость поверхностей
Введение
От правильного выбора заготовки в значительной мере зависит общая трудоемкость и себестоимость изготовления детали. На выбор вида заготовки и метода ее получения влияют материал детали, ее размеры и конструктивные формы, а также годовой выпуск деталей и другие факторы.
Классический технологический процесс в машиностроительном производстве предусматривает получение заготовок методами литья, обработкой давлением (поковка, штамповка), прокатом. Также применяются заготовки из сортового материала и получаемые комбинированными методами. Технологический процесс предусматривает последовательное изменение формы, размеров, качества поверхности заготовки от момента поступления ее в обработку до получения готовой детали. Под «вычитающими» технологиями подразумевается механообработка – удаление («вычитание») материала из массива заготовки. Таким образом, инженеры прибегли к понятию (subtractive) «вычитание», чтобы определить новое понятие (additive) «добавление», т.е. в самом определении «аддитивные технологии» трактуются как противоположность технологиям механообработки [1, 2].
Аддитивный технологический процесс в настоящее время является динамично развивающимся и перспективным производственным процессом. Метод построения модели происходит путем добавления материала. Внедрение принципиально новых подходов к проектированию изделий, позволяет создавать сложнопрофильные детали, облегченные конструкции металлов и полимерных материалов, производство которых с использованием традиционных технологических методов просто невозможно.
Анализ новейших разработок показывает, что аддитивный технологический процесс в будущем – это рядовой обычный процесс, но чтобы науке достигнуть этого, необходимо преодолеть ряд проблем. Одной из таких проблем в настоящее время является отсутствие нормативных материалов по параметрам, характеризуемым качество поверхностного слоя заготовок, в частности по параметрам шероховатости поверхности.
Содержание исследования
Целью исследования являлось определение параметров шероховатости на поверхностях заготовок с различными углами наклона к плоскости построения, получаемых на установке послойного лазерного сплавления при синтезе микропорошков из материалов Stainless Steel PH1и Co‒Cr‒Mo с толщиной слоя 20 мкм.
Опытный образец, спроектированный в САПР NX 10 и необходимый для исследования, представлен на рис. 1. Изготовление образцов происходило методом лазерного спекания порошка на установке послойного лазерного сплавления EOS 280.
Лазерный метод по замеру шероховатости реализован при помощи конфокального лазерного сканирующего микроскопа Olympus LEXT OLS 4000, с использованием которого получили топографию поверхности исследуемого объекта. Показатели шероховатости исследовались в соответствии с ГОСТ 2789-73 по двум параметрам: Ra – среднее арифметическое отклонение профиля шероховатости поверхности и Rz – высота профиля неровностей.
Замеры производились с наружной (up face) и внутренней (down face) сторон (рис. 2) под углом наклона поверхности относительно плоскости построения в диапазоне от 30 до 90° , в интервале 10° и через каждые 30° относительно движения ножа.
В качестве примера на рис. 3 и 4 представлены топографии наружных поверхностей образца из материала Stainless Steel PX на установке Olympus LEXT OLS 4000 при угле поворота поверхности относительно движения ножа равном 0°.
Затем образец разрезали электроэрозионным методом, чтобы выполнить замеры параметров на внутренних поверхностях образца (рис. 5). Толщина стенки опытного образца составляет 2 мм. Замеры шероховатости внутренних поверхностей (down face) выполнялись аналогично замерам параметров шероховатости наружной поверхности.
Для наглядного примера на рис. 6 и 7 представлены топографии внутренних поверхностей образцов на установке Olympus LEXT OLS 4000 при угле поворота поверхности относительно движения ножа равном 0°.
Полученные результаты замера значений шероховатости наружных и внутренних поверхностей представлены в табл. 1.
На основании результатов замеров параметров шероховатости, представленных в табл. 1, построены графики зависимости значений Ra от углов поворота поверхности относительно ножа a и наклона поверхности, относительно плоскости построения. Примеры таких графиков представлены на рис. 8 и 9.
Аналогично, были произведены замеры параметров шероховатости наружных и внутренних поверхностей образца, изготовленного из жаропрочного сплава кобальт‒хром‒молибден (Co‒Cr‒Mo) и установлены зависимости Ra от угла a следующего вида:
Ra = C × ax.
Как видно из рис. 8 и 9 значение C и x различны при изменении значений угла поворота поверхности j относительно ножа (табл. 2 и 3).
На основании данных, приведённых в табл. 2 и 3, были установлены зависимости значений C и x от угла j (табл. 4).
В связи с изложенным формулы для определения значений Ra будут иметь следующий вид:
Материал Stainless Steel PH:
– шероховатость наружной поверхности:
Ra = 36,932j–0,694 × a0,0722j0,289,
– шероховатость внутренней поверхности:
Ra = 5,664j0,388 × a–0,2055j0,142
Материал Co‒Cr‒Mo:
– шероховатость наружной поверхности:
Ra = 0,467j–0,22 × a0,275j0,158,
– шероховатость внутренней поверхности:
Ra = 23520j0,753 × a–3,556j–0,239
В табл. 5 и 6 приведены результаты расчётов по полученным формулам и их сопоставление с результатами замеров параметров шероховатости.
Заключение
Полученные в результате исследования значения параметров шероховатости, а также расчётные зависимости позволяют конструкторам и технологам ориентироваться с учётом шероховатости поверхностей заготовок и деталей, изготовленных методом лазерного спекания, в дальнейших конструкторских расчётах.
1. Гибсон, Я., Розен, Д., Стракер, Б. Технологии аддитивного производства. - М.: Техносфера, 2016. - 656 с.
2. Шишковский, И. В. Лазерный синтез функционально-градиентных мезоструктур и объёмных изделий. - М.: Физматлит, 2009. - 424 с.
