УДК 621.74
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ, ОБЪЕМНОЕ ПРОТОТИПИРОВАНИЕ И БЕСКОНТАКТНОЕ ОПТИЧЕСКОЕ СКАНИРОВАНИЕ В СКВОЗНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПОДГОТОВКИ ПРОИЗВОДСТВА ОТЛИВОК. ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ
©Шмаков Андрей Константинович, канд. техн. наук; Унагаев Евгений Иванович; Колмогорцев Илья Владимирович; Осипов Сергей Александрович
ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет». Россия, г. Иркутск Котов Вячеслав Валерьевич, канд. техн. наук, e-mail: viacheslav.kotov@esi-group.com Представительство компании ESI Group в Российской Федерации, исполнительный директор Представительства; ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина». Россия, г. Екатеринбург
Статья поступила 11.06.2014 г.
Представлен опыт применения сквозной технологии подготовки производства отливок в песчано-глинистых формах. Проведено виртуальное моделирование технологического процесса литья в песчано-глинистые формы, отработана конструкция отливки и технологические режимы. Создана мастер-модель отливки с использованием технологии 3Б-печати. Выполнен контроль геометрических характеристик пластиковой мастер-модели и изготовленной по ней реальной отливки с помощью бесконтактного оптического сканирования.
Ключевые слова: литье в песчано-глинистые формы; объемное прототипирование; бесконтактное оптическое сканирование; мастер-модель; 3Б-печать; 3Б-принтер; 3Б-сканирование; 3Б-сканер; дефекты литья; виртуальный анализ технологического процесса; отливка; отклонения геометрических характеристик.
Многофакторность и сложность процессов литья при традиционных методах подготовки производства (экспертные оценки или проб и ошибок) вызывают значительные затраты времени и ресурсов для отладки литейных технологий.
Трудоемкой составляющей литейных технологий является изготовление мастер-моделей. Существует несколько вариантов этого процесса: фрезерование деталей из пластмасс, мягких металлов или дерева на станках с ЧПУ, изготовление вручную мастерами-модельщиками. Но все эти методы требуют высококвалифицированного ручного труда и, как правило, больших затрат времени.
Дополнительные трудности и затраты времени возникают при оценке соответствия реальных геометрических характеристик отливок требуемым техническими регламентами. Эти проблемы обусловлены сложностью форм отливок, поэтому в целях сокращения затрат контролируются размеры только по сопрягаемым поверхностям.
Применение современных цифровых технологий может существенно снизить затраты на технологическую подготовку производства при повышении качества отливок.
Сквозная цифровая технология включает в себя следующие этапы:
- геометрическое моделирование отливок в графических редакторах;
- технологический анализ в специализированных программных системах моделирования процессов, происходящих при получении отливки;
- виртуальная отработка конструкции отливки и технологических режимов литья;
- формирование мастер-модели отливки на 3Б-принтере;
- контроль геометрических характеристик выращенной модели с помощью бесконтактного оптического сканирования;
- изготовление отливки;
- контроль геометрических характеристик реальной отливки с помощью бесконтактного оптического сканера.
zc а_
>
Рис. 1. Геометрическая модель отливки с литниковой <
н
системой ^
Рис. 2. Характер заполнения формы во времени
Рис. 3. Распределение температуры в процессе остывания отливки
Рис. 4. Векторы скоростей при заливке металлом формы
Ниже приведено описание сквозной технологии для подготовки производства реальной отливки «крышка прибора» из алюминиевого сплава АК7ч.
Создание электронного геометрического макета мастер-модели отливки. Конструкции отливки и литниковой системы были разработаны с учетом существующих конструктивно-техно-
логических рекомендаций. Трехмерная твердотельная геометрическая модель была построена средствами системы автоматизированного проектирования Siemens NX (рис. 1).
Моделирование технологического процесса литья. С целью прогнозирования возможного появления дефектов и определения оптимальных технологических параметров с помощью программного комплекса компании ESI ProCAST было выполнено моделирование процесса литья.
При моделировании были заданы: время заливки около 3,5 с, температура расплава 740 °С, время выдержки отливки в форме 60 мин. Программный комплекс позволяет получить большое количество данных: характер заполнения формы во времени, поля температур в процессе заливки до полного остывания отливки; векторы скоростей потока расплава с оценкой возможного размывания литейной формы, характер кристаллизации расплава во времени, распределение пористости в отливке.
Визуализация характера заполнения формы в процессе заливки (рис. 2) позволяет увидеть поведение жидкого металла при заполнении формы и сделать вывод об особенностях заполнения формы.
Изменение полей температур в процессе заливки до полного остывания отливки (рис. 3) позволяет оценить степень неравномерности остывания изделия и спрогнозировать места возможного образования брака.
Процесс заполнения формы и остывание расплава носят равномерный характер, что косвенно говорит о низкой вероятности возникновения
Рис. 5. Характер кристаллизации расплава во времени
Рис. 6. Зоны пористости в отливке (допустимая величина пористости 5%)
дефектов в отливке. Поле векторов скоростей потока расплава позволяет оценить возможность размывания литейной формы. Скорость потока металла, как показывает поле векторов скоростей (рис. 4), наибольшее значение (1,4 м/с) имеет в месте выхода расплава из питателя в отливку. Основное ее снижение происходит при прохождении потока металла в область тонких стенок отливки. Следовательно, вероятность размывания формы невысока.
Завихрения при течении расплава в целом несущественны, что незначительно влияет на вероятность образования газовых пор и оксидных включений в отливке.
Результаты технологического моделирования процесса также показали, что кристаллизация равномерна и имеет направленный характер: снизу вверх - от отливки к прибыли (рис. 5). Наибольший интерес представляют те из них, которые влияют на возникновение одного из основных дефектов отливки - пористости. В самой
Рис. 7. Электронная модель мастер-модели с элементами для 3D печати; подготовка управляющей программы для печати
отливке зоны пористости не наблюдаются (рис. 6). Усадочные раковины и пористость появились в прибылях.
Таким образом, результаты виртуального технологического анализа процесса показывают, что принятая конструкция отливки и литниковой системы, а также назначенные режимы литья могут обеспечить требуемое качество отливки.
Создание трехмерного твердотельного геометрического макета мастер-модели. Применение объемного прототипирования при подготовке изготовления отливки может потребовать корректировки ее исходной геометрической формы. В частности, для рассматриваемой отливки необходимо было добавить дополнительные приливы по ее углам и припуск на усадку термопласта (0,3-0,7%) при остывании, а также ввести в геометрическую модель отливки модель опорной плиты. На основе сформированной геометрической модели разработана управляющая программа для печати объекта с заданием ряда параметров, таких как скорость подачи материала, принудительное охлаждение объекта и др., обеспечивающих качественную печать (рис. 7).
3D печать мастер-мод ели. Мастер-модель для создания литейной формы была «напечатана» на принтере типа 3DTouch™3D компании Bits From Bytes, который реализует технологию FDM
Рис. 8. Принтер 3DTouch ™ 3D
Рис. 9. Мастер-модель, экструдированная из пластика ABS
(Fused Deposition Modeling - послойное добавление материала, рис. 8).
В примененном для изготовления мастер-модели устройстве термопластик нагревается, пропускается через печатающую голов-ку-экструдер в виде тонкой пластиковой нити, которая наносится по горизонтальным и вертикальным координатам, слой за слоем, создавая трехмерный объект. Для печати применен пластик марки ABS, который обеспечивает повышенную точность получаемых изделий, упрощает подготовительные и вспомогательные операции; при этом сокращаются сроки изготовления и затраты на дополнительную оснастку.
Недостатком технологии FDM является выраженная текстура поверхности, характерная для послойной укладки пластика. Для литья в песчаные формы эти дефекты при
Рис. 10. Представление отсканированной пластиковой мастер-модели
Рис. 11. Результаты сравнения исходного геометрического электронного макета и данных сканирования мастер-модели из пластика
конструкции данной отливки не являлись определяющими. Применение этой технологии для точных методов литья может потребовать более высокого качества поверхности мастер-модели, для чего необходима дополнительная обработка наружного ее слоя, например, шпатлеванием или шлифованием. В последнем случае придется предусматривать припуск на обработку.
Качество изготовленной мастер-модели, по предварительным оценкам, признано пригодным для производства отливок в глинистых формах.
Оценка точности изготовления мастер-модели оптическим сканированием. Соответствие геометрических характеристик отпечатанной мастер-модели исходной трехмерной модели выполнялось средствами программно-аппаратного комплекса бесконтактного сканирования в составе: координатной измерительной машины Hexagon Metrology CIMCORE 7520SE, оптического бесконтактного сканера Perceptron ScanWorks V5 и комплектного программного обеспечения.
Сканирование мастер-модели выполнено с одной стороны, к которой предъявлялись повышенные требования по точности геометрических размеров (рис. 10).
Результаты измерений показали, что отклонения экс-трудированной модели от эталонного геометрического электронного макета мастер-модели по большинству поверхностей не превышают ±1 мм. В локальных участках отклонения не превысили ±2 мм (рис. 11). Продолжитель-
ность сканирования и обработка результатов на примененных компьютерах составили 12 мин.
Таким образом, измеренные отклонения размеров мастер-модели относительно требуемых укладываются в допустимый предел и припуск на последующую обработку го
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.