搜索集成數字化平臺實現船用關鍵件快速精密成形
2013-05-18 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
黃引平 馬敏團 韓登峰 閔雪濤 來源:e-works
關鍵字:集成 數字化平臺 關鍵件 快速精密成形
應用CAD/ CAE / RP集成數字化平臺技術,通過對船用復雜液壓件快速精密成形研制流程及實施過程的研究,實現產品快速精密成形,加速了研制進程;同時證明,研制過程與產品的復雜性無關,實現了自由制造,解決了當前船用復雜液壓件試制周期長難題,為傳統制造方法注入新的元素。
1、前言
隨著全球市場一體化的形成,造船業的競爭十分激烈,船用關鍵件開發速度日益成為市場競爭的主要矛盾。在這種情況下,自主快速產品開發能力成為制造業全球競爭的實力基礎。同時,造船業為滿足用戶多層次需求,又要求制造技術有較強的靈活性,能夠以小批量甚至單件生產而不增加產品的成本。因此,產品開發的速度和制造技術的柔性就變的十分關鍵。
快速成形(Rapid Prototyping簡稱 RP)技術是20世紀80年代末、90年代初發展起來的、集機械、電子、光學、材料等學科為一體的先進制造技術。它突破了傳統的加工模式,與科學計算可視化和虛擬現實等技術相結合,為設計者、制造者與用戶之間提供了一種可測量、可觸摸的新手段。快速成形技術可以自動、快速、直接、精確地將設計思想轉化為具有一定功能的原型或直接制造零件或模具,有效地縮短了產品的研發周期,是提高產品質量、降低產品成本的有力工具。它的核心是基于數字化的新型成形技術。
本文介紹了船用關鍵件快速精密制造應用背景,闡述了從鑄件與復雜型芯的CAD幾何建模、型芯RP快速成型、鑄件的CAE工藝優化及成形的快速研制流程及實施過程。
2、復雜鑄件及其型芯的CAD幾何建模
缸蓋為船用關鍵高技術部件,獲得精準的CAD幾何模型是關鍵,研究主要通過以下兩方面的技術突破,建立了可靠的鑄件及型芯CAD幾何模型。
1、在船用缸蓋類復雜型腔鑄件建模過程中,對氣道設計特點的理解和曲線數據處理是建模的關鍵,設計要求進、排氣道內外壁曲面光順,保證在G2以上連續是建模的難點。本文根據氣道設計曲線之間的形狀和結構變化(見圖1),采用了曲面特征與控制點約束特征,同時還采用曲面片連續及拼接相結合的綜合方法進行建模[1],最終實現了光順氣道模型的建立(見圖2)。
圖1:船用缸蓋進、排氣道結構
圖2: 船用缸蓋進、排氣道模型
2、確立有效的復雜型腔件建模思路。分別進行進、排氣道和水道的建模,建立多層特征分類管理,最后進行特征之間的布爾運算,獲得最終的缸蓋模型(見圖3)。型腔結構見圖4。數據繼續應用于下游的CAE分析及RP技術,為該件的精密成形提供了可靠模型。
圖3:船用缸蓋模型
圖4:船用缸蓋型腔結構
3、鑄件型芯RP快速成型
快速成型技術利用材料累加法來制造塑料、陶瓷、金屬及各種復合材料零件(見圖5、圖6)。我國政府在"九·五"的第一年就將該技術列入"九·五"攻關項目,同時,"九·五"國家科技攻關中,把先進制造技術列為重點資助的領域之一,而先進制造技術中的幾項重要內容,如:精密成型、CAD推廣應用、并行設計和并行工程、敏捷制造、虛擬制造等技術方面都與RP有關,甚至主要以RP作技術支撐。
圖5:快速制造成本比較
圖6:快速制造應用
快速成型技術的發展是近20年來制造領域的突破性進展,它不僅在制造原理上與傳統方法迥然不同,更重要的是在目前產業策略以市場響應速度為第一的狀況下,RP技術可以縮短產品開發周期,降低開發成本,提高企業的競爭力。快速制造技術從根本上突破了傳統的制造方法。就鑄造而言,它不再需要經過設計圖紙→模具、工裝設計→模具、工裝制造→造型、制芯→配箱澆注等一系列復雜費時的工作后得到鑄造毛坯,而是從圖紙得到產品模型,然后澆注得到零件毛坯。而且正在世界范圍內研究的直接成型技術,澆注環節都可以省去。制造成本變化只與零件的大小有關,而與零件的復雜程度、制造數量無關。
3.1 選擇性激光燒結(SLS)
SLS技術的特點是材料適應面廣,不僅能制造塑料零件,還能制造陶瓷、蠟、金屬、覆膜砂等材料的零件。特別是可以制造金屬零件,SLS技術實現快速制造工藝線路見圖7。這使SLS頗具吸引力。單件、小批量和特殊復雜零件的直接生產。對于高分子材料的零部件,可用高強度的工程塑料直接快速成型,滿足使用要求;對于復雜金屬零件,可通過快速鑄造或直接金屬件成型獲得。該項應用對航空、航天及國防工業有特殊意義。
圖7:SLS技術實現快速制造工藝線路
SLS技術實施原理是首先從二維平面圖紙或逆向工程設備獲得的數字信息建立三維CAD模型,將模型數據進行數字化處理,沿某一特定方向進行平面分層(離散化),然后通過CAM系統(成型機)對成型材料逐層加工,并堆積成制件。
3.2 鑄件型芯RP快速成型
激光快速成型可以說是設計思想的"拷貝",型(芯)成型是在"無模"下完成,完全可以避免模具帶來的誤差;離散/堆積的成形原理,可以實現整體制型(芯),可以保證鑄件的設計精度。
傳統的型芯成型是通過模具限制外形完成的。它有以下幾種缺陷:
A.制作模具周期長,達不到快速響應市場的要求。
B.制作模具費用高,特別是制作樣件或小批量生產時更是如此。
C.除非采用數控機床加工,否則模具的精度無法保證。
D.工藝限定了復雜型(芯)必須采用拼接的辦法組型(芯),鑄件的精度難以保證。
用快速原型作為石蠟鑄造模具的蠟型或砂型鑄造模具的模型,制作鑄造殼型或砂型,然后澆注出金屬模具來,但鑄造出來的模具一般還要經過打磨或少量切削加工。其工藝路線是:RP原型(中間過渡模)→制作蠟型→熔模鑄造→成型/處理→模具。與傳統方法結合,實現快速鑄造,快速模具制造等功能,這是傳統方法無法比擬的。
3.2.1 樹脂粉末制型制作工藝
設備制造商提供了HB1一種熱熔性樹脂粉末材料。目前國內制造上大多采用這種材料或該材料的改性產品。這種粉末材料與精密鑄造所用的中溫模料的性能接近,因而成為間接成形金屬零件的主要手段。
工藝實施參數:設備的激光額定功率為50W;激光掃描速度最高為4 m/s;其它參數在很大范圍內可調。我們采用在具體制作過程摸索成型工藝參數的辦法,先后制作了多種船用缸蓋、螺旋槳等制件,認真分析每個制件制作過程中設定參數變化規律。經過我們大量的研究探索,得出以下結論:
燒結樹脂粉末時的激光功率應控制在28~30%之間。
激光掃描速度最佳控制為2000mm/s。
層間距為0.2mm。
掃描間距為0.2mm。
粉末預熱溫度(表面實測溫度)在80~92℃之間。起始和變溫按最高溫度(92℃)控制,其他按最低溫度(80℃)控制。(注:以上結論是在采用"逐行掃描"方式下得出的,不適合其它掃描方式。)
根據CAD模型的特征信息快速成型出鑄造用的型芯(見圖8、圖9),同時還可以得到鑄件產品模型,圖10為船用柴油機缸蓋的激光快速成形模型;在產品精加工過程中,可根據這些工程數據信息快速生成NC加工程序,完成產品的最終加工。
圖8:船用缸蓋氣道的激光快速成型
圖9:船用缸蓋水道的激光快速成型
圖10:船用缸蓋的激光快速成型
同時,也可以根據以上這些工程技術信息進行產品的數據管理(PDM),進行在線檢測、質量評估及裝配調試等生產活動一體化管理。
3.2.2 影響粉末制件性能的主要因素及后處理
影響粉末制件強度、精度、后處理難度等性能的的主要因素有:激光功率、掃描速度、層間距、掃描間距、粉末溫度等。
激光功率:激光的作用是使制造區域的粉末受熱而熔化。激光功率的大小直接關系到粉末的熔化程度。功率太大,粉末熱熔面積大,制件強度高,但制件精度差,清理困難;功率太小,粉末表層不能軟化,制件強度低。使粉末表層熔融,而粉末深層不發生熱物理作用是激光功率控制最終目標。
掃描速度:激光掃描速度是通過計算機系統對振鏡的控制實現的。它直接關系到制件的制作時間和精度。它的實質是激光束對粉末的熱作用時間。本設備激光掃描速度最高為4 m/s,通過我們試驗認為,以2 m/s的速度掃描,制件的精度最高(可達到200mm±0.15mm)。
層間距:層間距是指鋪粉輥單行程攤鋪粉末的厚度。層間距大小需要根據粉末的粒度、制件的精度要求、粉末間的摩擦力等因素調整。
掃描間距:掃描間距是指激光束逐行掃描時的行間距。是決定制件強度和精度的主要參數之一。就目前所用的幾種粉末材料而言,行間距設置為0.15mm即可達到要求。
粉末溫度:用于粉末燒結的材料一般分為兩種類型,一種是熱熔性樹脂粉末,一種是金屬粉、陶瓷粉、型砂等材料表面裹覆一層熱熔性樹脂。就是說這些粉末材料的粘結都是通過數值的熔融實現的,是一種純物理過程。
對粉末預熱,使其達到樹脂軟化臨界點,這時粉末不會結塊,較小的激光功率下,即可使粉末成型。材料預熱由前加熱、后加熱、輔助加熱、加熱強度等按鍵控制。材料不同,控制溫度也不同。設置適當的目標溫度,通過以上四個控制按鍵調節,使溫度場保持均勻,以保證制造精度。
制造過程中,溫度并不是保持不變的。開始連續制造時,需要首先建立一薄層支撐面,以防止材料成形過程中的應力使制造面翹曲變形;制造過程中,制件的截面有較大變化(主要指截面突變)時,需要調節溫度場防止制件變形。另外,制件截面變化,引起單層預熱時間變化,溫度場溫度控制目標值、加熱強度也必須隨時調整。
樹脂粉末成形以后,其強度、性能還不能達到使用要求,必須經過清理、滲蠟或滲樹脂、精整、精密鑄造工序才能得到產品樣件或功能件。對于覆膜型芯必須經過清理、后固化處理才能用于生產。
4、鑄件工藝系統CAE優化及快速精密成形
首先根據產品結構進行鑄造工藝分析,設計出鑄造基礎工藝,經過對該鑄件的充型(見圖11)和凝固(見圖12)數值模擬優化[2],確定出合理工藝[3]。由模擬分析結果確認,該鑄件內部缺陷基本消失,將該工藝確定為最終工藝(見圖13)。
圖11:缸蓋充型液面上升狀態
圖12:缸蓋某截面溫度場
圖13:缸蓋工藝系統模型
圖14:精密成形的缸蓋鑄件
由RP方法可以提供蠟芯原型(SLS法或FDM法)或幾乎可完全氣化的光敏樹脂原型,采用失蠟鑄造或消失法鑄造,鑄出精密鑄件(見圖14)。用陶瓷型鑄造工藝,可鑄出粗糙度達6.4μ 的精密鑄件。也可以直接用RP工藝制造出壓制蠟芯的樹脂模具,以經濟地鑄造出小批量鑄件。為了減少消失法鑄造產生過多的氣體,RP原型可制成中空結構,中空部分還可以加以蜂窩狀支撐,以增強RP原型剛度。由于RP原型可以很容易附加上冷卻管道等結構,由RP原型甚至可以直接作為注塑模,制造出少量塑料件,以供產品開發階段使用。
RP與QC相結合,就為產品開發期的金屬件需求提供了一個快速響應技術。尤其對航天、航空、兵器等領域,復雜形狀零件非常適用。
5、結論
采用快速成形技術制作復雜型芯,既避開了復雜的機械切削加工,保證型芯的精度,又可以大大縮短研制時間、節省制造費用,與傳統的制造方法相比,周期和費用都降低了1/3~1/8左右,對于形狀復雜的精密模具,優點尤為突出。但是這種模具制作方法,目前還存在著所制模具壽命相對較短的缺點,即使是金屬表面加硬背襯的模具,其使用壽命也不及真正的金屬模,所以快速成形模具適合于單件小批量生產。
隨著快速成型技術和材料技術的不斷發展和完善,在開發高檔技術產品方面,將會發揮更大的作用。
相關標簽搜索：集成數字化平臺實現船用關鍵件快速精密成形 Fluent、CFX流體分析 HFSS電磁分析 Ansys培訓 Abaqus培訓 Autoform培訓 有限元培訓 Solidworks培訓 UG模具培訓 PROE培訓 運動仿真
