Исследование и разработка технологических режимов изготовления отливок по выжигаемым моделям, полученных методом лазерной стереолитографии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.04, кандидат технических наук Морозов, Вячеслав Вячеславович

• Морозов, Вячеслав Вячеславович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Морозов, Вячеслав Вячеславович

щ „„^

Введние

Глава 1. Постановка задачи исследования.

1.1 Использование моделей, полученных методами быстрого прототипирования, в литейном производстве

1.2 Выбор технологии изготовления моделей.

1.2.1 Программное обеспечение для лазерной стереолитографии

1.2.2. Особенности изготовления фотополимерных моделей.

1.3 Выбор предмета и постановка задачи исследования.

Выводы по главе

Глава 2. Расширение моделей из фотополимерной композиции при

Нагревании

2.1 Оборудование для проведения исследований процессов деформации фотополимерных материалов при нагревании

2.2 Методика проведения и выполнение экспериментов по изучению изменения размеров образцов из ФПК при нагреве

2.2.1 Проведение эталонных исследований на алюминиевом образце

2.2.2 Исследование расширения и усадки ФПК при нагреве

2.3 Исследование влияния термо-временных выдержек на конечное значение деформации ФПК

2.4 Исследование влияния скорости нагрева на конечную деформацию ФПК

2.5 Теоретическое определение степени деформации ФПК при нагреве

2.5.1 Экспериментальное определение изменение плотности ФПК при нагреве

2.5.2 Расчет параметров тепловой деформации

Выводы по главе

Глава 3. Физико-химическое состояние фотополимерных материалов при выжигании

3.1 Оборудование для проведения исследования состояния ФПК при выжигании

3.2. Методика проведения экспериментов и определения термодинамических параметров :энтальпии, энтропии, энергии Гиббса

3.3. Проведение исследований на ФПК при термо - термоокислительной деструкции

Выводы по главе

Глава 4 Определение порядка химической реакции

4.1. Методика определения порядка химической реакции

4.2. Расчет порядка химической реакции

Ф Выводы по главе

Глава 5. Разработка методики расчета технологических параметров изготовления литых деталей по выжигаемым фотополимерным моделям

5.1. Требования к вновь разрабатываемым фотополимерам

5.2 Анализ экспериментальных и расчетных данных

5.3 Методика выбора технологических рекомендации по изготовлению отливок

Выводы по главе

Глава 6. Внедрение

6.1 Технология изготовления отливок из медных сплавов ювелирно-художественного направления

6.2 Требования к отливкам, изготавливаемых в ювелирно- художественном л направлении

6.3. Оборудование для изготовления отливок из медных сплавов

6.4 Технология изготовления стальных отливок

6.4.1. Требования приемки к стальной отливке «колесо турбины».

6.4.2. Основные геометрические параметры «колеса турбины».

6.4.3.Определение технологических параметров изготовления литейной формы

6.4.4. Изготовление отливки «Колесо турбины»

6.5. Изготовление отливок с применением моделей из ФПК в технологии выплавляемых моделей

6.5.1. Изготовление отливок с применением силиконовых форм.

6.5.2 Изготовление отливок с применением силоксановых форм.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка технологических режимов изготовления отливок по выжигаемым моделям, полученных методом лазерной стереолитографии»

Появление компьютерных систем, оснащенных трехмерной графикой и экспертными системами, позволяет значительно сократить затраты времени и средств на конструирование, технологическую проработку и изготовление деталей методами литейных технологий. С начала 80-х годов стали интенсивно развиваться методы формирования трехмерных объектов путем послойного наращивания материала в заданной области пространства. На базе данного принципа появились методы, которые в англоязычной литературе получили название Rapid prototyping (сокращенно RP - быстрое проектирование). Образованные системы сквозного проектирования на базе компьютерного моделирования носят абревиатуру CAD/CAM/CAE и ориентированы на подготовку производства.

Использование данной системы проектирования позволяет на ранних этапах проектирования проанализировать конструкцию узла, детали и отливки, ориентировать ее в пространстве под заливку и тем самым спрогнозировать ее будущие свойства (в структуре CAD\CAE). Возможность использования установок RP на ранних этапах проектирования, когда идет закладка будущих параметров разрабатываемых изделий, позволяет увидеть будущую деталь, ощутить ее руками, отработать конструкцию, решить вопросы дизайна и прочее. Поскольку требования опытного производства к точности будущих изделий постоянно возрастают, а рынок нуждается в оперативном воплощении идеи в изделие, то появляется необходимость использования полученных моделей по технологии RP непосредственно в производственном процессе.

Широко применяемые на Западе методы быстрого прототипирования в производстве находят применение в опытном, мелкосерийном и серийном производстве. Данные комплексы используют в своей работе такие фирмы как: Boeing, Caterpillar, Me. Donald Duglas, и др. Стоит отметить, что изготовляемые модели на данных комплексах находят наибольшее применение в литейном производстве: литье в песчаные формы, литье по выжигаемым моделям, изготовления гипсовых, силиконовых и металлополимерных пресс-форм, а так же литые штампы для опытного кузнечно-прессового производства. Актуальность работы. Увеличивающееся использование твёрдотельного моделирования обеспечивает распространение технологий быстрого получения прототипов; повышается точность прототипов и качество материалов. Всё это говорит о том, что технологии и системы быстрого прототипирования будут занимать всё большее место в автоматизированном проектировании. В недалёком будущем RP - системы будут доступны любому пользователю и станут привычным инструментом конструктора.

Уже сегодня Российские предприятия: АОЗТ ОКБ «Сухого», «ММПП Салют», КНАПО (г. Комсомольск на Амуре), НПО «Сатурн» (г. Рыбинск), ОАО «ГАЗ», «ВАЗ» и другие, приобрели и приобретают подобное оборудование. Однако отсутствует подробная информация по особенностям поведения материала моделей, большое разнообразие предлагаемых материалов не позволяет в полной мере использовать возможности технологий с применением быстрых методов прототипирования. Это вынуждает Российские предприятия обращаться за помощью к Западным специалистам.

Наибольший спектр применения моделей RP предлагает фирма 3D Systems на базе комплекса лазерной стереолитографии. Именно этот факт стал ключевым в распространении данной технологии как за рубежом, так и в России.

В данной работе за основу взята именно данная технология с уклоном по изготовлению отливок по выжигаемым фотополимерным моделям. Наибольший материально - экономический эффект при использовании технологии быстрого прототипирования может быть получен в изготовлении сложных литых изделий из широкой номенклатуры сплавов именно по выжигаемым фотополимерным моделям.

Сущность технологии выжигаемой модели заключается в том, что изготовленную методом быстрого прототипирования модель, формуют по стандартной технологии в керамическую оболочку, производят ее выжигание по специальному режиму совмещенной с прокалкой формы. Подготовленную таким образом форму заливают расплавом - отливка готова. Однако, на практике приходится сталкиваться со следующими технологическими проблемами - растрескиванием керамического блока в процессе нагрева до 320 - 350°С и засо-рами в отливках. Это накладывает ограничения по применяемым сплавам и геометрии, а также добавляет немало сложностей на этапах подготовки литейной формы под заливку.

В литературе на сегодняшний момент отсутствуют сведения технологического плана, позволяющие проводить нагрев и выжигания фотополимерных моделей. Предлагаемые режимы по удалению фотополимерных моделей не позволяет изготавливать отливки надлежащего качества. Некоторый прогресс достигнут благодаря возможности изготовления пустотелых моделей, который носит название Quick Cast, благодаря чему появилась возможность изготавливать фотополимерные модели с варьируемой толщиной оболочки и внутренней системой подпорок. Наилучшего качества, достигли при изготовлении крупных отливок с толщиной стенок более 15н-20 мм. Вместе с тем изготовление тонкостенных отливок с толщиной стенки менее 5 мм. вызывает наибольшие трудности и приводит как правило к 80 - 100 % браку литья. Стоит учесть, что модели из фотополимерной композиции, изготовленные по технологии Quick Cast образуют сложные геометрические поверхности, а их сочетание - к сложному поведению модели в процессе нагрева, выжигания и прокалки. Поэтому, разобравшись с формированием моделей в процессе их изготовления на сте-реолитографической установке, поведением моделей во времени, нагреве и разложения их в условиях литейной формы можно обеспечить: повышение качества, сокращение цикла разработки, изготовление пилотных образцов, ускорение внесения изменений в конструкцию, уменьшение цены продукта, улучшение дизайна.

В соответствии с выше изложенным - целью данной работы является исследование поведения фотополимерного материала при нагревании. Снижению брака при изготовлении отливок с применением выжигаемых ФПМ для широкого диапазона сплавов и разной сложности. Это позволит изготавливать отливки как из алюминиевых, бронзовых, так и жаропрочных сплавов.

Цели и задачи исследования. Целью данной работы является уменьшение брака при изготовлении отливок повышенной сложности по выжигаемым фотополимерным моделям (ФПМ), в условиях опытно-экспериментального производства.

Объектом исследования является отвержденный фотополимерный композиционный материал (ФПКМ), его процесс изменения размеров при нагревании, термодинамические параметры при изменении температуры.

В соответствии с поставленной целью потребовалось решить следующие задачи:

1. Исследовать влияние скорости и времени нагрева на изменение размеров фотополимерных композиционных материалов.

2. Исследовать факторы, влияющие на процессы деструкции ФПМ при нагревании. Предложить на основе исследований математическую модель состояния материала необходимую для корректировки режима выжигания.

3. Разработать методику расчета технологических параметров для изготовления отливок методом выжигания.

4. Повысить выход годного при изготовлении отливок разной сложности из материалов по выжигаемым фотополимерным моделям.

Научная новизна работы:

1. Установлены дополнительные факторы, влияющие на разрушение керамической литейной формы в процессе выжигания фотополимерных моделей.

2. Научно обоснованы рациональные условия разложения фотополимерного композиционного материала в литейной форме.

Разработаны требования к вновь разрабатываемым фотополимерным материалам, направленных на получение отливок по выжигаемым моделям.

Практические результаты работы:

1. Выявлено влияние термо-временных выдержек, а так же скорости нагрева на конечную деформацию ФПКМ.

2. Изготовлен стенд для определения деформационных характеристик ФПКМ и компьютеризирован, а также установка по определению термодинамических параметров при термо- и термоокислительной деструкци-ях.

3. Накоплен экспериментальный материал по термо- и термоокислительной деструкциях (ТД и ТОД) позволивший определить термодинамические параметры: энтальпия, энтропия, энергия Гиббса.

4. Разработана технология изготовления сложных и особо сложных отливок по выжигаемым фотополимерным моделям в литейной форме.

5. Предложенная технология опробована в лабораторных условиях кафедры МТ - 5 МГТУ Н.Э. Баумана, где получены отливки ювелирного и художественного направления. Так же данная технология опробована в производственных условиях, что позволило изготовить отливку типа «Колесо турбины».

Полученные научно-исследовательские результаты такие как: кинетика теплового расширения ФПКМ, термодинамические параметры разложения, порядок химической реакции позволили определить основные этапы разложения и определить технологические режимы выжигания. Это позволило выполнить работу по изготовлению отливки «Колесо турбины» и тем самым сократить время от разработки чертежа до получения первой отливки среднем от 10 до 100 раз.

Применение данной технологии изготовления сложных отливок по выжигаемой ФПМ позволяет: сократить цикл разработки, улучшить дизайн, повысить качество, уменьшить цену продукта, ускорить внесение изменений в конструкцию при изготовлении опытных образцов изделий. и

На защиту выносится:

- результаты исследований кинетики деформации ФПКМ при нагревании и термодинамического поведения ФПК в условиях ТД и ТОД, поведение фотополимера в результате нагрева, а так же физико-математические модели описывающие эти состояния.

- Метод удаления ФПКМ из литейной формы.

- Разработанный технологический процесс изготовления отливок по выжигаемым фотополимерным моделям.

Заключение диссертации по теме «Литейное производство», Морозов, Вячеслав Вячеславович

Общие выводы по работе

На основании проведенных исследований сделаны следующие основные выводы:

1. Анализ результатов исследования процессов расширения ФПК при нагре-ваеии позволяет выделить три зоны прогрессивного объемного расширения: 1- до 453 К, где происходит расширение материла; на 2- участке нагревания скорость роста значительно снижается и в диапазоне от 553 до 603 К достигает своего максимального значения расширения и остается неизменным. На участке 3 происходит термодеструкция материала, которое сопровождается резким уменьшением размеров.

По результатам исследований предложена физико-математическая модель изменения размеров. Выполнены исследования и расчеты по определению полимерной, пиролитической и газовой фаз при нагревании, а так же изменение плотности материала, коэффициента газификации.

2. Изучено термодинамическое поведение моделей из ФПК, которое показало, что дополнительным фактором на разрушение керамических литейных оболочек оказывает газовая фаза, образующаяся в процессе разрушения ФПКМ. Это проявление становится существенным, когда температура нагрева достигает значений от 453 до 493 К.

Скорость нагрева оказывает влияние на прогрев ФПКМ (что характерно для литейной формы). Возникает объемная термодеструкция и при больших скоростях нагрева (свыше 0.1 К/с) формируется максимальное поровое давление в ячейках материала не на поверхности, а внутри полимерного материала. Это обстоятельство усиливает силовое воздействие со стороны фотополимерного материала на оболочку литейной формы и, как следствие, к ее деформации и разрушению.

3. Исследована кинетика нагрева ФПК. Показано влияние скорости нагрева и термо-временных выдержек на конечное значение расширения. Разработаны подходы управления процессом расширения ФПКМ, позволяющие снизить вероятность разрушения литейной формы.

4. Предложена математическая модель определения термодинамических параметров. По экспериментальным данным были определены термодинамические параметры (АН, А8, АО) процесса терморазложения. Проведенные исследования на ФПК позволили выделить четыре основных температурных этапа разложения: 1- от комнатной до 323 К удаление растворителя; 2- от 323 до 593 К начало разложения на макромолекулы; 3- от 593 до 653 К продолжение термодеструкции ФПК до микромолекул групп Сз .С5; 4- от 653 до 973 К диссоциация с выделением пиролитического углерода. И выбрать лучший.

5. Определен порядок реакции разложения ФПКМ в термоокислительных условиях, который носит сложный знакопеременный вид и имеет дробные значения.

6. Предложен метод выжигания фотополимерных моделей из литейной формы. Основан на создание окислительной среды в реакционной зоне разложения, что приводит к интенсивному разложению и удалению остатков разложения.

7. Данный метод опробован в лабораторных и полупромышленных условиях, что позволило получить отливки сложной формы из алюминиевых, медных и жаропрочных сплавов.

152

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Морозов, Вячеслав Вячеславович, 2005 год

1. Аскадский A.A. Структура и свойства теплостойких полимеров. -М.:Химия, 1981.-320 с.

2. Астарита Дж. Массопередача с химической реакцией. Л.: Химия, Ле-нингр. отд-ие., 1971.-224 с.

3. Бенсон С. Термохимическая кинетика», издательство. Мир, Москва. -1971.-308с.

4. Воздвиженский В.М., Жуков A.A., Бастраков В.К. Контроль качества отливок. М.: Машиностроение, - 1990. - 273 с.

5. Теоретические основы общей химии / А.И. Горбунов, A.A. Гуров, Г.Г. Филиппов, В.Н. Шаповал. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001 - 720с.

6. Васильев В.А., Морозов В.В., Шиганов И.Н. Использование методов послойного формирования трехмерных объектов в литейном производстве// Вестник машиностроения. 2001. - №2 - С. 4-11.

7. Васильев В.А. Физико-химические основы литейного производства. — М.: МГТУ им Н.Э Баумана, 1994.- 320 с.

8. Васильев В.А., Сафонов А.Н. Технология послойного прототипирова-ния // Литейное производство. 1997. - №7 - С. 7-11.

9. Вильям Дж. Орвич. Exel для ученых, инженеров и студентов. Киев: Юниор, 1999. -528с.

10. Димитриенко Ю.И., Епифановский И.С. Деформирование и прочность деструктирующих теплозащитных материалов при высоких температурах // Механика композиционных материалов. 1990.- № 3 С. 460-468.

11. Димитриенко А.Ю. Механика полимерных материалов при высоких температурах. М.: Машиностроение, 1997.- 368с.

12. Еремин E.H. Основы химической кинетики. Москва: Высшая школа, 1976.-375с.

13. Иванов В.Н., Зарецкая Г.М. Литье в керамические формы по постоянным моделям. М.: Машиностроение, 1975. - 136с.

14. Информатика и машиностроение. 1996 - № 4. - 48с.

15. Каталоги и проспекты фирм 3D SYSTEMS, HELIUS, STRATUS и др.

16. Коваленко B.C. Лазерная технология. Киев: Высшая школа, 1989.-289с.

17. Колка И.А. Самый быстрый и недорогой способ построения моделей // САПР и графика. 2001.- №6. -С. 10-12.

18. Коршак В.В. Термостойкие полимеры. М.: Наука, 1969. - 390с.

19. Крестнер O.E., Бараданьяц В.К. Точное литье цветных сплавов в гип-содинасовые и керамические формы. М.: Машиностроение, 1968. -290с.

20. Кривалдин В.А. Керамические рекуператоры. Металлургиздат, 1962. -242с.

21. Литейное производство. 1998. - № 7. - 45с.

22. Степанова Ю.А. Литье по газифицируемым моделям. Инженерная монография. М.: Машиностроение, 1976. -224 с.

23. Мадорский С. Теоретическое разложение органических полимеров. — М.: Мир, 1967. 286с.

24. Мелан Э., Паркус Г. Температурные напряжения, вызываемые стационарными температурными полями. М.: Физматгиз, 1950. - 240с.

25. Мельников H.A. Быстрое прототипирование при литье в песчаные формы // Литейщик России. 2002. - №1. - С. 13-15.

26. Минаев A.A., Ноткин Е.Б., Сазонов В.А. Вакуумная формовка / М.: Машиностроение, 1984. 216с.

27. Мэтью Ж. Механическое растрескивание коксующихся разрушающихся материалов в высокотемпературном потоке // Ракетная техника и космонавтика. 1964. № 9. - С. 133 - 142.

28. Озеров В.А., Гаранин В.Ф. Литье повышенной точности по разовым моделям. М.: Высшая школа, 1988. - 288с.

29. Оптическая техника. 1998. - № 1. - 63с.

30. Писаренко Г.С. Вопросы высокотемпературной прочности в машиностроении. Киев, 1963. - 335с.

31. Писаренко Г.С., Третьяченко Г.Н., Грачева Л.И. Исследование влияния процессов термического расширения и усадки композиционных материалов на их разрушение при нагреве // Космические исследования на Украине (Киев). 1981. - Вып. 15. - С.З - 10.

32. Полежаев Ю.В. Михатулин Д.С. Эрозия поверхностей в гетерогенных потоках. М.: Изд-во ИВТАН, 1989. - 68с.

33. Розовский А.Я. Кинетика топохимических реакций. М.: Химия, 1974. - 386с.

34. Севастьянов Л., Понаморенко Г. Компьютерный анализ процессов литья металлов, экономия ресурсов // САПР и графика. 2001. -№4. - С. 97-99.

35. Скородумов C.B. Технологии послойного синтеза при создании объёмных моделей для заготовительного производства // Вестник машиностроения. 1998. - №1.- С.20-25.

36. Скородумов C.B., Гладков В.И. Лазерно коммпьютерные технологии для создания новой автомобильной техники.// Наука -производству. 1997. - № 2. - С.40-44.

37. Поликорбонат (мет) акрилаты/ Ю.М. Сивергин, Р.Я. Перникис, С.Н. Киреев. Рига: Зинатне, 1988.- 288 с.

38. Скворцова Н.В. Экспериментальные исследования влияния скорости нагрева и среды на модуль Юнга углепластиков в широком диапазоне темпернатур// Механика композиционных материалов. 1986. - № 1 -С.23-27.

39. Скородумов C.B. Особенности изготовления моделей по технологии RP// Вестник машиностроения. 1998.- №1 - С.20 - 28.

40. Специальные виды литья / Под ред. Г.Ф. Баландина и Л.С. Константинова. М.: Машиностроение, 1970. - 224с.

41. Стрельченя В. Современные технологии быстрого прототипирования // READ.ME. 1997. - №1. - С. 12-15.

42. Мастрюков Б.С. Теплотехнические расчеты промышленных печей. -М.: Металлургия, 1972, 368с.

43. Филиппов Г.Г., и др. Кинетика автокаталитических реакций с участием твердых тел// Докл. АН СССР.- 1986. -Т. 291, №5. -С. 1169-1172.

44. Жуковского С.С. Формовочные материалы и технология литейной формы. М.: Машиностроение, 1993. -432с.

45. Широков H.H., Чудецкий Ю.В. Исследование взаимодействия полимеров с высокотемпературным потоком // Тепло- и массоперенос. -Минск: Наука и техника, 1968. -Т.2. С. 116 - 123.

46. Терморазрушение материалов: полимеры и композиты при интенсивном нагреве: Учебное пособие для вузов/ О.Ф. Шленский, Н.В. Афанасьев, А.Г. Шаликов. Москва; Энергоатомиздат, 1996. - 287с.

47. Изучение кинетики терморазложения полимерных материалов при повышенных скоростях нагрева/ О.Ф. Шленский, Н.В. Минакова, Ю.В. Зеленев, А.Ю. Швелев // Пластические массы. 2000. - №5. - С.23-27.

48. Шленский О.Ф., Афанасьев Н.В., Шашков А.Г. Терморазрушение полимеров // М.: Энергоатомиздат, 1996. 288с.

49. Шленский О.Ф. Тепловые свойства стеклопластиков. -М.: Химия, 1973. 224с.

50. Штерн В.Я. Механизм окисления углеводородов в газовой фазе. М.: АН СССР, 1958.- 168с.

51. Юдин С.Б. Центробежное литье. М.: Машиностроение, 1972. - 280с.

52. Янг. Д. Кинетика разложения твёрдых веществ. М.: Мир, 1969.- 263с.

53. Photopolimerization Studies Using Visible Light Photoinitiators/ О. Valedes Aguiera, C.P. Pathak, J. Shi, D. Watson and D.C. Neckers // Macromolecules. - 1992. -№ 25. - P.541 - 547.

54. Kochan D. Solid Freeform Manufacturing Advanced Rapid Prototyping. / Elsevier Science Publishers B.V. - Amsterdam - London - New York -Tokyo, 1993.-68p.

55. Rapid Prototyping Report// CAD/CAM Publishing, Inc. San Diego,- 1995. Volume 4, Number 1. - 85p.

56. Jacobs P. Steriolithography and other RT&M Technologies. New York: Society of Manufacturing Engineers, 1996. - 392p.500 °С550 °С

57. АКТ СДАЧИ-ПРИЕМКИ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ РАБОТ1. От « » июля 2002

58. Тема: «Разработка и участие во внедрении технология изготовления литейной формы колеса турбины изд. 64М по фотополимерной модели путем ее выжигания».

59. Краткое описание результатов научно-исследовательской работы по изготовлению колеса турбины в масштабе 1:1:1. НПО^САТУРН

60. О Открытое акционерное общество1. Научно-производственноеобъединение «Сатурн»152903, Россия. Ярославская обл.,г. Рыбинск, пр. Ленина, 1631. Факс [phone]. Телетайп Сатурн 217686

61. Телефон [phone] (для справок)

62. E-mail: [e-mail]

63. Дата -//.¿POt Исх. № £#/£>£>'

64. В ходе исследований режимов выжигания фотополимерных моделей в условиях литейной формы было опробовано изготовление отливки «колесо , турбины», изделие 64 М, по моделям.изготовленных методом лазерной стерео-литографией.

65. Были выполнены следующие работы:

66. Подготовленные формы были залиты сплавом ВЖЛ 12У.

67. Исследование полученной отливки показало, что рекомендации по из. готовлению отливки от МГТУ им. Н.Э. Баумана по предложеннымтехнологическим режимам соответствуют требованиям ТУ 18-039 .

68. Результаты диссертационной работы использованы в разработке технологии изготовления отливки «колесо турбины» по выжигаемым фо1. Ю.В.Ласточкин