集成數(shù)字化平臺(tái)實(shí)現(xiàn)船用關(guān)鍵件快速精密成形

2013-05-18  by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM  來(lái)源:仿真在線(xiàn)

黃引平 馬敏團(tuán) 韓登峰 閔雪濤 來(lái)源:e-works
關(guān)鍵字:集成 數(shù)字化平臺(tái) 關(guān)鍵件 快速精密成形
應(yīng)用CAD/ CAE / RP集成數(shù)字化平臺(tái)技術(shù),通過(guò)對(duì)船用復(fù)雜液壓件快速精密成形研制流程及實(shí)施過(guò)程的研究,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品快速精密成形,加速了研制進(jìn)程;同時(shí)證明,研制過(guò)程與產(chǎn)品的復(fù)雜性無(wú)關(guān),實(shí)現(xiàn)了自由制造,解決了當(dāng)前船用復(fù)雜液壓件試制周期長(zhǎng)難題,為傳統(tǒng)制造方法注入新的元素。

1、前言
   
隨著全球市場(chǎng)一體化的形成,造船業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)十分激烈,船用關(guān)鍵件開(kāi)發(fā)速度日益成為市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的主要矛盾。在這種情況下,自主快速產(chǎn)品開(kāi)發(fā)能力成為制造業(yè)全球競(jìng)爭(zhēng)的實(shí)力基礎(chǔ)。同時(shí),造船業(yè)為滿(mǎn)足用戶(hù)多層次需求,又要求制造技術(shù)有較強(qiáng)的靈活性,能夠以小批量甚至單件生產(chǎn)而不增加產(chǎn)品的成本。因此,產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的速度和制造技術(shù)的柔性就變的十分關(guān)鍵。
   
快速成形(Rapid Prototyping簡(jiǎn)稱(chēng) RP)技術(shù)是20世紀(jì)80年代末、90年代初發(fā)展起來(lái)的、集機(jī)械、電子、光學(xué)、材料等學(xué)科為一體的先進(jìn)制造技術(shù)。它突破了傳統(tǒng)的加工模式,與科學(xué)計(jì)算可視化和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)相結(jié)合,為設(shè)計(jì)者、制造者與用戶(hù)之間提供了一種可測(cè)量、可觸摸的新手段。快速成形技術(shù)可以自動(dòng)、快速、直接、精確地將設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)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(chǎn)品的研發(fā)周期,是提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低產(chǎn)品成本的有力工具。它的核心是基于數(shù)字化的新型成形技術(shù)。
   
本文介紹了船用關(guān)鍵件快速精密制造應(yīng)用背景,闡述了從鑄件與復(fù)雜型芯的CAD幾何建模、型芯RP快速成型、鑄件的CAE工藝優(yōu)化及成形的快速研制流程及實(shí)施過(guò)程。      
   
    2、復(fù)雜鑄件及其型芯的CAD幾何建模
   
缸蓋為船用關(guān)鍵高技術(shù)部件,獲得精準(zhǔn)的CAD幾何模型是關(guān)鍵,研究主要通過(guò)以下兩方面的技術(shù)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(lèi)復(fù)雜型腔鑄件建模過(guò)程中,對(duì)氣道設(shè)計(jì)特點(diǎn)的理解和曲線(xiàn)數(shù)據(jù)處理是建模的關(guān)鍵,設(shè)計(jì)要求進(jìn)、排氣道內(nèi)外壁曲面光順,保證在G2以上連續(xù)是建模的難點(diǎn)。本文根據(jù)氣道設(shè)計(jì)曲線(xiàn)之間的形狀和結(jié)構(gòu)變化(見(jiàn)圖1),采用了曲面特征與控制點(diǎn)約束特征,同時(shí)還采用曲面片連續(xù)及拼接相結(jié)合的綜合方法進(jìn)行建模[1],最終實(shí)現(xiàn)了光順氣道模型的建立(見(jiàn)圖2)。
   

    圖1:船用缸蓋進(jìn)、排氣道結(jié)構(gòu)

        圖2: 船用缸蓋進(jìn)、排氣道模型

2、確立有效的復(fù)雜型腔件建模思路。分別進(jìn)行進(jìn)、排氣道和水道的建模,建立多層特征分類(lèi)管理,最后進(jìn)行特征之間的布爾運(yùn)算,獲得最終的缸蓋模型(見(jiàn)圖3)。型腔結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。數(shù)據(jù)繼續(xù)應(yīng)用于下游的CAE分析及RP技術(shù),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(jié)構(gòu)

3、鑄件型芯RP快速成型
   
快速成型技術(shù)利用材料累加法來(lái)制造塑料、陶瓷、金屬及各種復(fù)合材料零件(見(jiàn)圖5、圖6)。我國(guó)政府在"九·五"的第一年就將該技術(shù)列入"九·五"攻關(guān)項(xiàng)目,同時(shí),"九·五"國(guó)家科技攻關(guān)中,把先進(jìn)制造技術(shù)列為重點(diǎn)資助的領(lǐng)域之一,而先進(jìn)制造技術(shù)中的幾項(xiàng)重要內(nèi)容,如:精密成型、CAD推廣應(yīng)用、并行設(shè)計(jì)和并行工程、敏捷制造、虛擬制造等技術(shù)方面都與RP有關(guān),甚至主要以RP作技術(shù)支撐。
   

    圖5:快速制造成本比較

    圖6:快速制造應(yīng)用

快速成型技術(shù)的發(fā)展是近20年來(lái)制造領(lǐng)域的突破性進(jìn)展,它不僅在制造原理上與傳統(tǒng)方法迥然不同,更重要的是在目前產(chǎn)業(yè)策略以市場(chǎng)響應(yīng)速度為第一的狀況下,RP技術(shù)可以縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期,降低開(kāi)發(fā)成本,提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力?？焖僦圃旒夹g(shù)從根本上突破了傳統(tǒng)的制造方法。就鑄造而言,它不再需要經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)圖紙→模具、工裝設(shè)計(jì)→模具、工裝制造→造型、制芯→配箱澆注等一系列復(fù)雜費(fèi)時(shí)的工作后得到鑄造毛坯,而是從圖紙得到產(chǎn)品模型,然后澆注得到零件毛坯。而且正在世界范圍內(nèi)研究的直接成型技術(shù),澆注環(huán)節(jié)都可以省去。制造成本變化只與零件的大小有關(guān),而與零件的復(fù)雜程度、制造數(shù)量無(wú)關(guān)。
   
    3.1 選擇性激光燒結(jié)(SLS)
   
SLS技術(shù)的特點(diǎn)是材料適應(yīng)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(shù)實(shí)現(xiàn)快速制造工藝線(xiàn)路見(jiàn)圖7。這使SLS頗具吸引力。單件、小批量和特殊復(fù)雜零件的直接生產(chǎn)。對(duì)于高分子材料的零部件,可用高強(qiáng)度的工程塑料直接快速成型,滿(mǎn)足使用要求;對(duì)于復(fù)雜金屬零件,可通過(guò)快速鑄造或直接金屬件成型獲得。該項(xiàng)應(yīng)用對(duì)航空、航天及國(guó)防工業(yè)有特殊意義。

        圖7:SLS技術(shù)實(shí)現(xiàn)快速制造工藝線(xiàn)路

SLS技術(shù)實(shí)施原理是首先從二維平面圖紙或逆向工程設(shè)備獲得的數(shù)字信息建立三維CAD模型,將模型數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化處理,沿某一特定方向進(jìn)行平面分層(離散化),然后通過(guò)CAM系統(tǒng)(成型機(jī))對(duì)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(shuō)是設(shè)計(jì)思想的"拷貝",型(芯)成型是在"無(wú)模"下完成,完全可以避免模具帶來(lái)的誤差;離散/堆積的成形原理,可以實(shí)現(xiàn)整體制型(芯),可以保證鑄件的設(shè)計(jì)精度。
   
    傳統(tǒng)的型芯成型是通過(guò)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(zhǎng),達(dá)不到快速響應(yīng)市場(chǎng)的要求。
   
    B.制作模具費(fèi)用高,特別是制作樣件或小批量生產(chǎn)時(shí)更是如此。
   
    C.除非采用數(shù)控機(jī)床加工,否則模具的精度無(wú)法保證。
   
    D.工藝限定了復(fù)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(lái),但鑄造出來(lái)的模具一般還要經(jīng)過(guò)打磨或少量切削加工。其工藝路線(xiàn)是:RP原型(中間過(guò)渡模)→制作蠟型→熔模鑄造→成型/處理→模具。與傳統(tǒng)方法結(jié)合,實(shí)現(xiàn)快速鑄造,快速模具制造等功能,這是傳統(tǒng)方法無(wú)法比擬的。
   
    3.2.1 樹(shù)脂粉末制型制作工藝
   
設(shè)備制造商提供了HB1一種熱熔性樹(shù)脂粉末材料。目前國(guó)內(nèi)制造上大多采用這種材料或該材料的改性產(chǎn)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(shí)施參數(shù):設(shè)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(shù)在很大范圍內(nèi)可調(diào)。我們采用在具體制作過(guò)程摸索成型工藝參數(shù)的辦法,先后制作了多種船用缸蓋、螺旋槳等制件,認(rèn)真分析每個(gè)制件制作過(guò)程中設(shè)定參數(shù)變化規(guī)律。經(jīng)過(guò)我們大量的研究探索,得出以下結(jié)論:
   
    燒結(jié)樹(shù)脂粉末時(shí)的激光功率應(yīng)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(yù)熱溫度(表面實(shí)測(cè)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(jié)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(jù)CAD模型的特征信息快速成型出鑄造用的型芯(見(jiàn)圖8、圖9),同時(shí)還可以得到鑄件產(chǎn)品模型,圖10為船用柴油機(jī)缸蓋的激光快速成形模型;在產(chǎn)品精加工過(guò)程中,可根據(jù)這些工程數(shù)據(jù)信息快速生成NC加工程序,完成產(chǎn)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(shí),也可以根據(jù)以上這些工程技術(shù)信息進(jìn)行產(chǎn)品的數(shù)據(jù)管理(PDM),進(jìn)行在線(xiàn)檢測(cè)、質(zhì)量評(píng)估及裝配調(diào)試等生產(chǎn)活動(dòng)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(qiáng)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(qū)域的粉末受熱而熔化。激光功率的大小直接關(guān)系到粉末的熔化程度。功率太大,粉末熱熔面積大,制件強(qiáng)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(qiáng)度低。使粉末表層熔融,而粉末深層不發(fā)生熱物理作用是激光功率控制最終目標(biāo)。
   
掃描速度:激光掃描速度是通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)振鏡的控制實(shí)現(xiàn)的。它直接關(guān)系到制件的制作時(shí)間和精度。它的實(shí)質(zhì)是激光束對(duì)粉末的熱作用時(shí)間。本設(shè)備激光掃描速度最高為4 m/s,通過(guò)我們?cè)囼?yàn)認(rèn)為,以2 m/s的速度掃描,制件的精度最高(可達(dá)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(jù)粉末的粒度、制件的精度要求、粉末間的摩擦力等因素調(diào)整。
   
掃描間距:掃描間距是指激光束逐行掃描時(shí)的行間距。是決定制件強(qiáng)度和精度的主要參數(shù)之一。就目前所用的幾種粉末材料而言,行間距設(shè)置為0.15mm即可達(dá)到要求。
   
粉末溫度:用于粉末燒結(jié)的材料一般分為兩種類(lèi)型,一種是熱熔性樹(shù)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(shù)脂。就是說(shuō)這些粉末材料的粘結(jié)都是通過(guò)數(shù)值的熔融實(shí)現(xiàn)的,是一種純物理過(guò)程。
   
    對(duì)粉末預(yù)熱,使其達(dá)到樹(shù)脂軟化臨界點(diǎn),這時(shí)粉末不會(huì)結(jié)塊,較小的激光功率下,即可使粉末成型。材料預(yù)熱由前加熱、后加熱、輔助加熱、加熱強(qiáng)度等按鍵控制。材料不同,控制溫度也不同。設(shè)置適當(dāng)?shù)哪繕?biāo)溫度,通過(guò)以上四個(gè)控制按鍵調(diào)節(jié),使溫度場(chǎng)保持均勻,以保證制造精度。
   
制造過(guò)程中,溫度并不是保持不變的。開(kāi)始連續(xù)制造時(shí),需要首先建立一薄層支撐面,以防止材料成形過(guò)程中的應(yīng)力使制造面翹曲變形;制造過(guò)程中,制件的截面有較大變化(主要指截面突變)時(shí),需要調(diào)節(jié)溫度場(chǎng)防止制件變形。另外,制件截面變化,引起單層預(yù)熱時(shí)間變化,溫度場(chǎng)溫度控制目標(biāo)值、加熱強(qiáng)度也必須隨時(shí)調(diào)整。
   
樹(shù)脂粉末成形以后,其強(qiáng)度、性能還不能達(dá)到使用要求,必須經(jīng)過(guò)清理、滲蠟或滲樹(shù)脂、精整、精密鑄造工序才能得到產(chǎn)品樣件或功能件。對(duì)于覆膜型芯必須經(jīng)過(guò)清理、后固化處理才能用于生產(chǎn)。
   
    4、鑄件工藝系統(tǒng)CAE優(yōu)化及快速精密成形
   
    首先根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行鑄造工藝分析,設(shè)計(jì)出鑄造基礎(chǔ)工藝,經(jīng)過(guò)對(duì)該鑄件的充型(見(jiàn)圖11)和凝固(見(jiàn)圖12)數(shù)值模擬優(yōu)化[2],確定出合理工藝[3]。由模擬分析結(jié)果確認(rèn),該鑄件內(nèi)部缺陷基本消失,將該工藝確定為最終工藝(見(jiàn)圖13)。
   

    圖11:缸蓋充型液面上升狀態(tài)

       圖12:缸蓋某截面溫度場(chǎng)

        圖13:缸蓋工藝系統(tǒng)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(shù)脂原型,采用失蠟鑄造或消失法鑄造,鑄出精密鑄件(見(jiàn)圖14)。用陶瓷型鑄造工藝,可鑄出粗糙度達(dá)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(shù)脂模具,以經(jīng)濟(jì)地鑄造出小批量鑄件。為了減少消失法鑄造產(chǎn)生過(guò)多的氣體,RP原型可制成中空結(jié)構(gòu),中空部分還可以加以蜂窩狀支撐,以增強(qiáng)RP原型剛度。由于RP原型可以很容易附加上冷卻管道等結(jié)構(gòu),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(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段使用。 
   
RP與QC相結(jié)合,就為產(chǎn)品開(kāi)發(fā)期的金屬件需求提供了一個(gè)快速響應(yīng)技術(shù)。尤其對(duì)航天、航空、兵器等領(lǐng)域,復(fù)雜形狀零件非常適用。
   
    5、結(jié)論
   
采用快速成形技術(shù)制作復(fù)雜型芯,既避開(kāi)了復(fù)雜的機(jī)械切削加工,保證型芯的精度,又可以大大縮短研制時(shí)間、節(jié)省制造費(fèi)用,與傳統(tǒng)的制造方法相比,周期和費(fèi)用都降低了1/3~1/8左右,對(duì)于形狀復(fù)雜的精密模具,優(yōu)點(diǎn)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(duì)較短的缺點(diǎn),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(chǎn)。
   
隨著快速成型技術(shù)和材料技術(shù)的不斷發(fā)展和完善,在開(kāi)發(fā)高檔技術(shù)產(chǎn)品方面,將會(huì)發(fā)揮更大的作用。

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