РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ОПЫТНОГО ОБРАЗЦА ДЕТАЛЕЙ ПРЕСС-ФОРМЫ С СИСТЕМОЙ КОНФОРМНЫХ КАНАЛОВ ОХЛАЖДЕНИЯ ДЛЯ ТЕХНОЛОГИИ СЕЛЕКТИВНОГО ЛАЗЕРНОГО СПЛАВЛЕНИЯ

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ Пресс-форма - сложное устройство для получения изделий различной конфигурации из металлов, пластмасс, резины и других материалов под действием давления, создаваемого на литьевых машинах. Для экономии материальных и временных ресурсов на проектирование, освоение и изготовление пресс-форм, применяются новые технологических процессы как в заготовительном, так и в основном производстве. Конструкции пресс-форм отличаются числом формообразующих гнезд, расположением поверхностей разъема, способом охлаждения или нагрева, характером связи с рабочей машиной, способом извлечения изделия и рядом других признаков [1]. Пресс-формы оснащаются специальными охлаждающими каналами, которые зачастую имеют сложную конструкцию. Расположение и конструкция каналов должны обеспечивать интенсивное и равномерное охлаждение поверхности пуансонов по возможности без глухих карманов, в которых не будет нормальной циркуляции охлаждающей жидкости [2]. Выполнение в металле конструкции охлаждающих каналов, удовлетворяющих этим условиям традиционными способами, представляет трудность в силу существенных технологических ограничений. В настоящее время широкое развитие получили технологии селективного лазерного сплавления (СЛС), позволяющие изготавливать заготовки сложной формы, которые невозможно получить традиционными технологиями. Технология СЛС позволяет изготавливать детали из металлических порошков нержавеющих сталей, инструментальных сталей, алюминиевых и титановых сплавов, жаропрочных сплавов на никель-хромовой, кобальт-хромовой основе. В настоящее время СЛС является уникальной технологий для изготовления объектов сложной геометрии, в том числе полых деталей с сетчатой структурой [3-5]. 1. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ФОРМООБРАЗУЮЩИХ ДЕТАЛЕЙ ПРЕСС-ФОРМЫ ПОД ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ СЕЛЕКТИВНОГО ЛАЗЕРНОГО СПЛАВЛЕНИЯ Пресс-форма с оптимизированной системой охлаждения используется при изготовлении пластиковых контейнеров объемом 150 мл из полипропилена марки PP4445S. К формообразующим деталям пресс-формы (рисунок 1) относятся матрица 3, пуансон 4 и плита съема 9 с кольцевой канавкой, оформляющей торцевой ободок контейнера. Матрица и пуансон снабжены каналами охлаждения, форма и расположение которых должны обеспечить скорость и равномерность охлаждения. Интенсификация теплоотвода способствует сокращению времени цикла, а равномерность охлаждения - уменьшению короблению. Этот эффект может быть достигнут за счет применения конформной системы охлаждения, т.е. системы каналов охлаждения максимально приближенных к форме отливаемой детали [6]. Такие каналы можно получить только с использованием аддитивных технологий. Пуансон 4 закреплен на основании 5, по конической поверхности которого движется кольцевая плита съема 9 приводимая в движение через тяги плитой толкания 8. Основание 5 крепится через переходную плиту 6 на фланцевую плиту 7, которая монтируется на подвижной плите термопласт-автомата (ТПА). В свою очередь матрица крепится на фланцевой плите 2 устанавливаемой на неподвижной плите ТПА. Центрирование пресс-формы на ТПА осуществляется с помощью центрирующего кольца 1. Расплав полимера подается в формообразующую полость пресс-формы, образованную сомкнутыми матрицей 3 и пуансоном 4 через горячеканальную центральную втулку 10. После завершения заполнения пресс-формы расплавом полипропилена, происходит его затвердевание и кристаллизация при выдержке под давлением, и далее размыкание пресс-формы и съем отливки с пуансона 4 кольцевой плитой съема 9. К изготовлению методом СЛС были предложены 2 сопрягаемые детали - пуансон 4 с габаритами Ø137 х 17,5 мм и основание пуансона 5 с габаритными размерами Ø198 х 54,6 мм. Разработка 3D моделей деталей пресс-формы, а также их сборка была выполнена в программном продукте Siemens NX 8.5. На рисунке 2 представлен общий вид деталей 4 и 5 изготавливаемых методом СЛС. С учетом возможностей технологии СЛС по точности на все поверхности деталей был добавлен припуск 0,5 мм для последующей механической обработки. Поверхности сопряжения и формообразующие поверхности деталей с жесткими допусками по 6-7 квалитету были изготовлены с припуском 1 мм. Изменению также подверглись каналы охлаждения - их сечения были выполнены каплевидной формы, чтобы избежать построения материала поддержки при изготовлении детали методом СЛС (рисунок 3 в). На торце пуансона 4 была добавлена технологическая прибыль в форме полуколец диаметром Ø73 мм, толщиной 5 мм и высотой 14 мм (рисунок 3 а) для крепления заготовки в патроне станка при токарной обработке формообразующих поверхностей. На основание пуансона (деталь 5) по окружности диаметром Ø198 мм были добавлены технологические отверстия для возможности извлечения металлического порошка из внутренней полости и ячеистых структур после процесса сплавления. Заготовки пуансона и основания пуансона были разработаны в программном продукте Siemens NX (рисунок 3, 5). Для изготовления деталей с использованием технологии СЛС требуется объемная цифровая модель заготовки детали в формате STL. Это «мозаичный» формат, в котором для представления формы цифровой 3D модели используется последовательность треугольников (фасетов). Трехмерная геометрия описывается поверхностями высокого порядка, а при триангуляции поверхность модели разбивается на маленькие треугольники. Каждый фасет описывается четырьмя наборами данных: координаты XYZ каждой из трех вершин и нормальный вектор, который описывает ориентацию фасета. Технология СЛС дает возможность создавать решетчатые структуры разных форм и размеров (например, гексагоновые) или создавать ячеистую структуру, а снаружи - твердую оболочку. Традиционными методами металлообработки такую структуру изготовить невозможно. Для отработки технологии создания ячеистых структур были изготовлены цилиндрические образцы диаметром 35 мм и высотой 16,5 мм методом СЛС. Моделирование ячеистой структуры было выполнено в программном продукте NX. Для отработки технологии было смоделировано три варианта конструкций образцов (рисунок 4): 1. Октальный тип ячейки, размеры блока - 5 x 5 x 5 мм, диаметр стержня - 1,5 мм. 2. Октаэдральный тип ячейки, размеры блока - 5 x 5 x 5 мм, диаметр стержня - 1,5 мм. 3. Квадродиаметральный тип ячейки, размеры блока - 5 x 5x 5 мм, диаметр стержня - 1,5 мм. Для снижения металлоемкости пресс-формы, а также для сокращения времени изготовления детали внутренняя часть основания пуансона (деталь 5) была смоделирована с использованием сетчатой структуры (рисунок 5) октаэдрального типа ячейки, размерами блока - 5 x 5 x 5 мм, диаметром стержня - 1,5 мм. Толщина стенки наружного контура пуансона составила 2 мм. На основе разработанных цифровых моделей деталей пресс-формы производилась оптимизация геометрии конформной системы охлаждения пуансона 4 с применением CAE-системы Moldex 3D. 2. СИМУЛЯЦИЯ ПРОЦЕССА ИНЖЕКЦИОННОГО ЛИТЬЯ В СAE-СИСТЕМЕ Сетка конечных элементов (КЭ) была сгенерирована в Moldex 3D designer- специальном конструкторе КЭ для моделирования процессов инжекционного литья. Алгоритм построения сетки КЭ для симуляции процесса отливки состоит из следующих этапов: - импорт геометрии детали в конструктор Moldex 3D designer, - создание литниковой системы подачи расплава в формообразующие полости, - проектирование модели системы охлаждения, - создание сетки конечных элементов, - экспорт сетки в модуль расчета, Помимо автоматической генерации сетки КЭ и инструментов ручного проектирования режим BLM конструктора Moldex 3D designer дополнительно предоставляет инструменты для оптимизации качества сетки КЭ. Моделирование каналов охлаждения производилось путем экспорта средней линии сечения - направляющей каналов в формате iges из CAD-модели пресс-формы и формирования кинематической поверхности каналов образующей в форме окружности диаметром 6 мм. Проходное сечение каналов было выбрано равным площади сечения реальных каналов, которые имеют каплевидную форму. Предварительно средняя линия аппроксимировалась контуром, состоящим из дуг окружностей радиусом не менее 5 мм и отрезков прямых. На рисунке 6 а, б представлены расположение каналов охлаждения относительно отливки. Также по отдельности показаны каналы полученные методом СЛС в пуансоне (рисунок 6 в) и в матрице (рисунок 6 г). Объемная сетка конечных элементов генерируется автоматически. Препроцессор автоматически выделяет дефектные области - если есть дефектные области, которые на сетке отмечены зеленым маркером. Дефекты триангуляционной фасетной сетки, влияющие на качество, определяются по четырем параметрам - aspectratio (отношение наименьшей к наибольшей стороне ячейки), skewness (асимметрия ячейки), orthogonality (ортогональность) и smoothness (гладкость сопряжения соседних ячеек). Локальные области вокруг дефектных фасетных ячеек удалялись вручную. После чего в полуавтоматическом режиме эти локальные области затягивались сеткой элементов, удовлетворяющих параметрам качества. Сетка КЭ элементов для численной модели в формате файла с расширением mfe далее передается в расчетный модуль Moldex 3D. В расчетном модуле последовательно выполняются следующие шаги: - загрузка сетки конечных элементов, - выбор материала и определение его реологических свойств, - выбор термопласт-автомата и назначение режимов инжекционного литья, - верификация данных и проведение расчета, - анализ полученных результатов. На рисунке 7 приведены литейные реологические свойства аналога из базы данных Moldex 3D, используемые для численного расчета и симуляции процесса. Результаты симуляции процесса инжекционного литья крышки представлены на рисунках 8 - 11. Распределение температуры отливки после впрыска относительно равномерное в окружном направлении (колебания в пределах 10 - 15 град.) и наблюдается постепенное охлаждение от 235 град. в центре до 150 град. на периферии в радиальном направлении при температуре замерзания расплава 110 град., что свидетельствует о хорошем расчетном тепловом режиме инжекции и параметрах цикла. Эффективность конформной системы охлаждения (в условных баллах) приведена на рисунке 8. Видно, что конформные каналы охлаждения пуансона (зигзагообразные спирали) пуансона на 20 балов эффективнее прямых каналов матрицы, выполненных традиционным способом сверления и более чем на 12 балов эффективнее центрального спирального канала пуансона. Эффективность системы охлаждения лучше всего анализировать по величине коробления - рисунок 9, в сравнении с размерами номинальной модели. Наиболее наглядно видны дефекты традиционной системы охлаждения (матрица) при анализе неплоскостности центральной части крышки (рисунок 10). Максимальная неплоскостность - в пределах 0,7 мм наблюдается в местах, где каналы охлаждения максимально удалены от поверхности отливки (рисунок 8 и рисунок 10). На рисунке 12 представлены заготовки деталей пресс-формы (пуансона и основания пуансона) изготовленные методом СЛС. После изготовления методом СЛС заготовок формообразующей и пуансона пресс-формы, они были подвергнуты механической обработке (рисунок 13), с целью их доведения то готового состояния деталей со снятием заложенного припуска на поверхностях. ВЫВОДЫ Произведена апробация технологии проектирования и изготовления формообразующих деталей пресс-форм с применением технологии селективного лазерного сплавления. Топологию конформных каналов охлаждения в пуансоне удалось оптимизировать с применением численного анализа методом конечных элементов в CAE-системе Moldex 3D.Разработка 3Dмоделей деталей пресс-формы производилась с учетом адаптации конструкции под технологию изготовления методом СЛС. В частности была сформирована сетчатая структура в полости пуансона и добавлены припуски под дальнейшую механическую обработку точением. Рис. 1. Эскиз пресс-формы для изготовления пластиковых контейнеров Рис. 2. 3D-модели деталей пресс-формы: а - объемная модель пуансона; б - объемная модель основания пуансона; в - сборка Рис. 3. Объемная модель (а) заготовки пуансона, продольное (б) и поперечное (в) сечения модели пуансона Рис. 4. Конструкция ячеистых структур Рис. 5. Объемная модель основания пуансона для технологии СЛС Рис. 6. Каналы охлаждения расчетной модели пресс-формы: а и б - расположение каналов относительно отливок, в - каналы в пуансоне, г - каналы в матрице Рис. 7. Реологические свойства полипропилен для виртуального моделирования инжекционного литья Рис. 8. Сравнительная эффективность каналов конформной системы охлаждения Рис. 9. Результирующее коробление (показывает длину вектора полного перемещения (учитываются все эффекты) после того, как деталь выталкивается из пресс-формы и охлаждается до комнатной температуры) - значения приведены относительно системы координат модели Рис. 10. Гистограмма величин результирующего коробления Рис. 11. Расчетная плоскостность отливки - расстояние между узлами деформированной сетки КЭ до заданной пользователем контрольной плоскости Рис. 12. Заготовки деталей пресс-формы: а - заготовка пуансона с конформной системой охлаждения, б - заготовка основания пуансона пресс-формы Рис. 13. Готовые детали пресс-формы: пуансон и основание пуансона

Об авторах

Рустам Равильевич Кяримов

Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва

Email: rustam9395@mail.ru
аспирант

Александр Исаакович Хаймович

Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва

Email: berill_samara@bk.ru
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой технологий производства двигателей

Валерий Павлович Курбатов

Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва

Email: pdla@ssau.ru
кандидат технических наук, профессор кафедры технологий производства двигателей

Аман Эркинович Кошоев

Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва

Email: gaaooe@gmail.com
магистр

Список литературы

Дополнительные файлы