RU2750603C1 - Apparatus for production of parts using additive-subtractive-hardening technology - Google Patents
Apparatus for production of parts using additive-subtractive-hardening technology Download PDFInfo
- Publication number
- RU2750603C1 RU2750603C1 RU2020129073A RU2020129073A RU2750603C1 RU 2750603 C1 RU2750603 C1 RU 2750603C1 RU 2020129073 A RU2020129073 A RU 2020129073A RU 2020129073 A RU2020129073 A RU 2020129073A RU 2750603 C1 RU2750603 C1 RU 2750603C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- additive
- surfacing
- growing
- subtractive
- module
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/34—Laser welding for purposes other than joining
- B23K26/342—Build-up welding
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/70—Auxiliary operations or equipment
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K9/00—Arc welding or cutting
- B23K9/04—Welding for other purposes than joining, e.g. built-up welding
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
- B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
- B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
- C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
- C21D9/50—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for welded joints
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к производству изделий аддитивными технологиями и может применяться в различных областях машино- и авиастроения, а также ракетно-космической отрасли.The invention relates to the production of products by additive technologies and can be used in various fields of machine and aircraft construction, as well as the rocket and space industry.
Одним из наиболее перспективных направлений развития аддитивных технологий является возможность получения готовых деталей или полуфабрикатов из металлических материалов. При выращивании металлических деталей необходимо обеспечение высокой точности изделия, качественной структуры материала, отсутствие пор, а также высокой производительности и низкой себестоимости.One of the most promising directions in the development of additive technologies is the possibility of producing finished parts or semi-finished products from metallic materials. When growing metal parts, it is necessary to ensure high accuracy of the product, high-quality structure of the material, absence of pores, as well as high productivity and low cost.
Проблема повышения точности формообразования и получения необходимых размеров при выращивании может быть решена применением механической обработки синтезированных поверхностей - субтрактивной обработкой. Наиболее эффективным решением является не механическая обработка готовой детали, а возможность механической обработки в процессе аддитивного выращивания, между переходами послойного синтеза. Это позволяет обеспечить механической обработкой высокую точность труднодоступных поверхностей, доступ к которым при обработке готовой детали невозможен или проблематичен. Проблема улучшения структуры и механических характеристик выращиваемого металла может быть решена применением упрочняющей обработки в процессе аддитивного выращивания.The problem of increasing the accuracy of shaping and obtaining the required dimensions during growth can be solved by using mechanical processing of synthesized surfaces - subtractive processing. The most effective solution is not mechanical processing of the finished part, but the possibility of mechanical processing in the process of additive growth, between the transitions of layer-by-layer synthesis. This makes it possible to provide machining with high accuracy of hard-to-reach surfaces, access to which is impossible or problematic when processing a finished part. The problem of improving the structure and mechanical characteristics of the grown metal can be solved by using hardening treatment in the process of additive growth.
Известен способ и устройство для послойного синтеза металлических изделий из металлопорошковых композиций лазерным спеканием, когда после образования нескольких спеченных слоев происходит их механическая обработка режущим инструментом, и сразу же на участке, после прохождения режущего инструмента, осуществляется термообработка лазером, увеличивающая твердость и плотность выращиваемого металла [US 6657155 (B2). Method of and apparatus for making a three-dimensional object. 2003]. Устройство включает в себя блок для формирования порошкового слоя, блок для формирования спеченного слоя, путем облучения оптическим лучом заданной части порошкового слоя, регулятор расстояния для регулирования расстояния между блоком формирования спеченного слоя и спеченным слоем и блок удаления поверхностного слоя с плотностью ниже, чем у спеченного слоя.The known method and device for layer-by-layer synthesis of metal products from metal-powder compositions by laser sintering, when after the formation of several sintered layers, they are machined with a cutting tool, and immediately on the site, after passing the cutting tool, laser heat treatment is carried out, increasing the hardness and density of the grown metal [ US 6657155 (B2). Method of and apparatus for making a three-dimensional object. 2003]. The device includes a unit for forming a powder layer, a unit for forming a sintered layer by irradiating a specified part of a powder layer with an optical beam, a distance regulator for adjusting the distance between the unit for forming a sintered layer and a sintered layer and a unit for removing a surface layer with a density lower than that of the sintered layer.
Недостатками такого способа и устройства является низкая производительность, значительно уступающая способам наплавки, малый КПД, высокая стоимость оборудования и используемых порошковых материалов, а также недостаточные технологические возможности по выращиванию материалов с различными свойствами.The disadvantages of this method and device are low productivity, which is significantly inferior to surfacing methods, low efficiency, high cost of equipment and used powder materials, as well as insufficient technological capabilities for growing materials with different properties.
Проблема повышения производительности может быть решена за счет использования для выращивания металлических деталей метода послойной наплавки материала, где модельным материалом является металлический пруток или проволока. В отличие от процесса лазерного спекания, послойная наплавка обеспечивает традиционную литую структуру металла в изделии. Стоимость используемого металлического прутка или проволоки в 9-10 раз ниже стоимости порошковых материалов для аддитивных технологий.The problem of increasing productivity can be solved by using the method of layer-by-layer surfacing of the material for growing metal parts, where the model material is a metal bar or wire. Unlike the laser sintering process, layer-by-layer surfacing provides a traditional cast metal structure in the product. The cost of the used metal rod or wire is 9-10 times lower than the cost of powder materials for additive technologies.
Проблема повышения технологических возможностей по созданию выращенных материалов, сочетающих различные свойства, а также производительности, может быть решена устройством, в котором используется несколько узлов для наплавки. Известно устройство, посредством которого процесс синтеза производится одновременно несколькими узлами для наплавки, подающими в зону аддитивного формообразования порошок или проволоку, в том числе порошок и проволоку одновременно [US 2019111509 (A1). Wire arc hybrid manufacturing. 2019]. Это способствует расширению технологических возможностей процесса, однако не обеспечивает формирования плотной бездефектной структуры материала. Структура синтезируемого металла имеет большое количество дефектов (поры, крупное зерно), что способствует снижению прочностных характеристик и не отвечает высоким требованиям к качеству материала.The problem of increasing the technological capabilities for the creation of grown materials combining various properties, as well as productivity, can be solved by a device in which several nodes for surfacing are used. A device is known by means of which the synthesis process is carried out simultaneously by several nodes for surfacing, supplying powder or wire, including powder and wire, to the zone of additive forming simultaneously [US 2019111509 (A1). Wire arc hybrid manufacturing. 2019]. This helps to expand the technological capabilities of the process, but does not ensure the formation of a dense defect-free structure of the material. The structure of the synthesized metal has a large number of defects (pores, coarse grains), which contributes to a decrease in strength characteristics and does not meet high requirements for the quality of the material.
Проблема улучшения структуры и механических характеристик выращиваемого металла послойной наплавкой может быть решена применением деформационной упрочняющей обработки в процессе послойного синтеза. Известен способ и устройство изготовления изделий из последовательных слоев металла, наплавлением друг на друга плазменной или дуговой энергией, когда каждый последующий наплавленный слой подвергается пластическому деформированию плунжерным устройством, измельчая и оптимизируя размер зерна наплавленного металла и, тем самым, улучшая механические свойства материала изделия [US 20070122560 (A1). Solid-free-form fabrication process including in-process component deformation. 2007].The problem of improving the structure and mechanical characteristics of the grown metal by layer-by-layer surfacing can be solved by using deformation-hardening treatment in the process of layer-by-layer synthesis. A known method and device for the manufacture of products from successive layers of metal, fusing on each other with plasma or arc energy, when each subsequent deposited layer is subjected to plastic deformation by a plunger device, crushing and optimizing the grain size of the deposited metal and thereby improving the mechanical properties of the material of the product [US 20070122560 (A1). Solid-free-form fabrication process including in-process component deformation. 2007].
Устройство содержит платформу, на которой осуществляется выращивание, устройство подачи исходного материала в заданную область для формирования последовательных слоев металла, плазменный или дуговой источник энергии, направленный в заданную область, плунжерное устройство пневматического или электромагнитного действия для пластического деформирования наплавленного слоя металла.The device contains a platform on which the growth is carried out, a device for supplying the source material to a predetermined area for the formation of successive metal layers, a plasma or arc energy source directed to a predetermined area, a pneumatic or electromagnetic plunger device for plastic deformation of the deposited metal layer.
Недостатками такого способа и устройства является низкая точность размеров, что требует обеспечения больших припусков для последующей механической обработки, невозможность обработки труднодоступных поверхностей, что ограничивает область применения такого способа, ограничения по производительности, глубине и степени упрочнения наплавленного слоя, плотности и уменьшению размеров зерен.The disadvantages of this method and device are low dimensional accuracy, which requires the provision of large allowances for subsequent machining, the impossibility of processing hard-to-reach surfaces, which limits the scope of this method, limitations on productivity, depth and degree of hardening of the deposited layer, density and reduction in grain size.
Известно устройство для аддитивно-субтрактивно-упрочняющей технологии, которое осуществляет послойный синтез изделий, включающий выращивание посредством послойной наплавки материала из проволоки с периодическим пластическим деформированием выращенного слоя статико-импульсной обработкой волной деформации и его последующей механической субтрактивной обработкой [Возможности аддитивно-субтрактивно-упрочняющей технологии / Киричек А.В., Соловьев Д.Л., Жирков А.А., Федонин О.Н., Федонина C.O., Хандожко А.В. // Вестник Брянского государственного технического университета. 2016. №4 (52). С. 151-160]. Устройство содержит аддитивный модуль, отвечающий за выращивание детали, субтрактивный модуль, обеспечивающий точность размеров и взаимного расположения ответственных поверхностей за счет удаления стружки, и упрочняющий модуль, позволяющий за счет волнового деформационного воздействия структурировать, уплотнить, упрочнить и снять напряжения в выращенном слое.Known device for additive-subtractive-hardening technology, which carries out layer-by-layer synthesis of products, including the growth by layer-by-layer surfacing of material from wire with periodic plastic deformation of the grown layer by static-pulse processing with a deformation wave and its subsequent mechanical subtractive processing [Possibilities of additive-subtractive-hardening technology / Kirichek A.V., Soloviev D.L., Zhirkov A.A., Fedonin O.N., Fedonina CO, Khandozhko A.V. // Bulletin of the Bryansk State Technical University. 2016. No. 4 (52). S. 151-160]. The device contains an additive module responsible for the growth of a part, a subtractive module that ensures the accuracy of dimensions and the relative position of critical surfaces due to the removal of chips, and a hardening module that allows structuring, compaction, hardening and stress relief in the grown layer due to the wave deformation effect.
Статико-импульсная обработка волной деформации осуществляет формирование упрочненной структуры материала под действием ударных волн, в результате чего на упрочняемой поверхности образуется совокупность пластических отпечатков с определенным размером, перекрытием и кратностью приложения [Киричек А.В., Соловьев Д.Л., Лазуткин А.Г. Технология и оборудование статико-импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием. Библиотека технолога. М.: Машиностроение, 2004. 288 с.]. При использовании статико-импульсной обработки происходит измельчение структуры металла и может быть получен упрочненный наклепанный поверхностный слой глубиной от 0,1-0,3 мм до 8-10 мм, с твердостью, достигающей 35-45 HRC, и сжимающими остаточными напряжениями, может быть получена плотная, как равномерно, так и гетерогенно упрочненная структура.Static-pulse treatment with a deformation wave carries out the formation of a hardened structure of the material under the action of shock waves, as a result of which a set of plastic imprints with a certain size, overlap and multiplicity of application is formed on the hardened surface [Kirichek AV, Soloviev DL, Lazutkin A. G. Technology and equipment for static-impulse treatment by surface plastic deformation. Technologist's library. M .: Mashinostroenie, 2004. 288 p.]. When using static-impulse processing, the metal structure is refined and a hardened work-hardened surface layer with a depth of 0.1-0.3 mm to 8-10 mm, with a hardness reaching 35-45 HRC, and compressive residual stresses can be obtained. a dense, both uniformly and heterogeneously hardened structure was obtained.
Применение устройства для осуществления аддитивно-субтрактивно-упрочняющей технологии позволяет создавать в выращенном изделии гетерогенно упрочненную структуру, формировать сжимающие остаточные напряжения, увеличить производительность процесса и повысить точность размеров выращенного изделия. В упрочненном материале, полученном таким способом, в отличие от неупрочненного, практически отсутствуют поры и скрытые полости. Размеры фазовых элементов в материале, полученном по технологии с упрочнением, более чем в пять раз меньше материала, полученного без упрочнения. Микротвердость материала, выращенного с упрочнением, в два раза превышает микротвердость материала, полученного без упрочнения.The use of the device for the implementation of the additive-subtractive-hardening technology makes it possible to create a heterogeneously hardened structure in the grown product, form compressive residual stresses, increase the productivity of the process, and increase the dimensional accuracy of the grown product. In the hardened material obtained in this way, in contrast to the unhardened material, there are practically no pores and hidden cavities. The dimensions of the phase elements in the material obtained by technology with hardening are more than five times smaller than the material obtained without hardening. The microhardness of the material grown with hardening is two times higher than the microhardness of the material obtained without hardening.
Недостатками такого устройства является невозможность выращивания детали одновременно из нескольких различных металлических материалов, а также нестабильность процесса выращивания, которая приводит к снижению качества и однородности выращенного металла.The disadvantages of such a device are the impossibility of growing a part simultaneously from several different metallic materials, as well as the instability of the growing process, which leads to a decrease in the quality and uniformity of the grown metal.
Целью предложенного изобретения является расширение технологических возможностей аддитивно-субтрактивно-упрочняющей технологии (АСУТ), повышение производительности выращивания и качества выращенного металла из различного металлического материала. Под различным металлическим материалом, используемым в предлагаемом устройстве для создания деталей аддитивно-субтрактивно-упрочняющей технологией, понимается металлическая проволока для наплавки различных диаметров и из различных металлов.The aim of the proposed invention is to expand the technological capabilities of the additive-subtractive-hardening technology (ACS), increase the productivity of growing and the quality of the grown metal from various metallic materials. Under the various metal material used in the proposed device for creating parts by additive-subtractive-hardening technology, it is understood a metal wire for surfacing of various diameters and from various metals.
Цель достигается тем, что в устройстве для осуществления аддитивно-субтрактивно-упрочняющей технологии, использующем субтрактивные переходы для механической обработки базовых присоединительных поверхностей между переходами выращивания частей детали сложной формы, доступ к которым после синтеза всей детали затруднен или невозможен, и волновое деформационное воздействие для упрочнения, аддитивный модуль, отвечающий за выращивание детали, имеет два и более узла для наплавки, каждый из которых имеет свой источник концентрированного потока энергии, при этом каждый узел для наплавки подает в зону выращивания одинаковый или различный металлический материал с помощью своего узла подачи проволоки, а для обеспечения устойчивости процесса выращивания в каждом узле для наплавки применяется осциллятор, который позволяет зажигать электрическую дугу без контакта с поверхностью детали и поддерживать горение, необходимое для наплавки слоев металлического материала, кроме того аддитивный модуль имеет автоматизированную систему управления подачей по трем координатам для каждого узла для наплавки, использующую обратную связь по зазору между концом наплавляемой проволоки и поверхностью выращиваемой детали. Далее в описании предлагаемого изобретения ограничимся случаем, когда в аддитивном модуле используется два узла для наплавки. Предлагаемое устройство с большим числом узлов для наплавки работает аналогично и приводит к дальнейшему расширению технологических возможностей аддитивно-субтрактивно-упрочняющей технологии, которые отмечены выше.The goal is achieved by the fact that in a device for the implementation of the additive-subtractive-hardening technology, using subtractive transitions for machining the base connecting surfaces between the transitions for growing parts of a part of a complex shape, access to which after the synthesis of the entire part is difficult or impossible, and the wave deformation effect for hardening , the additive module responsible for growing the part has two or more surfacing units, each of which has its own source of concentrated energy flow, while each surfacing unit supplies the same or different metal material to the growing zone using its own wire feed unit, and to ensure the stability of the growing process, an oscillator is used in each surfacing unit, which allows you to ignite an electric arc without contact with the surface of the part and maintain the combustion required for surfacing layers of metal material, in addition, the additive module has an a tomatized three-axis feed control system for each surfacing unit, using feedback on the gap between the end of the wire being welded and the surface of the part being grown. Further, in the description of the present invention, we will restrict ourselves to the case when the additive module uses two nodes for surfacing. The proposed device with a large number of nodes for surfacing works in a similar way and leads to a further expansion of the technological capabilities of the additive-subtractive-hardening technology, which are noted above.
Для повышения производительности выращивания металлических изделий целесообразно производить выращивание используя различный диаметр проволоки в разных узлах для наплавки. Для получения основных габаритов изделия используется проволока диаметром 3-5 мм, а для обеспечения сложных фигурных поверхностей проволока диаметром 0,8 мм и ниже. Для получения биметаллических изделий каждый из узлов для наплавки подает в зону выращивания металлический материал из разного металла.To increase the productivity of growing metal products, it is advisable to grow using different wire diameters in different nodes for surfacing. To obtain the main dimensions of the product, a wire with a diameter of 3-5 mm is used, and to provide complex figured surfaces, a wire with a diameter of 0.8 mm and below. To obtain bimetallic products, each of the surfacing units supplies a metal material from a different metal to the growing zone.
Субтрактивный модуль позволяет после выращивания определенной части детали сложной формы и упрочнения статико-импульсной обработкой волной деформации (одного или нескольких) наплавленных слоев с помощью упрочняющего модуля, выполнить механическую обработку резанием обеспечивающую точность размеров и взаимного расположения ответственных (присоединительных) поверхностей, доступ к которым после выращивания всей детали затруднен или невозможен.The subtractive module allows, after growing a certain part of a part of a complex shape and hardening by static-pulse processing with a deformation wave (one or more) of the deposited layers using a hardening module, to perform mechanical cutting, ensuring the accuracy of the dimensions and relative position of critical (connecting) surfaces, access to which after growing the entire part is difficult or impossible.
Устройство для АСУТ содержит (фиг. 1):The device for the automated control system contains (Fig. 1):
1 - аддитивный модуль;1 - additive module;
2 - узел подачи проволоки;2 - wire feed unit;
3 - субтрактивный модуль;3 - subtractive module;
4 - поворотный стол;4 - rotary table;
5 - упрочняющий модуль;5 - hardening module;
6 - генератор импульсов;6 - pulse generator;
7 - узел для наплавки один;7 - one unit for surfacing;
8 - узел для наплавки два;8 - node for surfacing two;
9 - режущий инструмент субтрактивного модуля (фреза).9 - cutting tool of the subtractive module (cutter).
Фиг. 2 иллюстрирует сам процесс АСУТ, где позициями обозначены:FIG. 2 illustrates the ACS process itself, where the positions indicate:
10 - наплавленный металлический слой;10 - deposited metal layer;
11 - выращиваемая деталь;11 - part to be grown;
12 - боек;12 - striker;
13 - волновод;13 - waveguide;
14 - деформирующий инструмент;14 - deforming tool;
15 - упрочненный наплавленный металлический слой;15 - hardened deposited metal layer;
16, 17 - источники концентрированного потока энергии узлов для наплавки один и два соответственно;16, 17 - sources of concentrated energy flow for surfacing units one and two, respectively;
17 - источник концентрированного потока энергии узла для наплавки два. Также на фиг. 2 введены обозначения:17 - source of concentrated energy flow for surfacing unit two. Also in FIG. 2 introduced the notation:
А1 и А2 - колебания (условно) соответствующих источников концентрированного потока энергии узлов для наплавки;А 1 and А 2 - fluctuations (conditionally) of the corresponding sources of concentrated energy flux of nodes for surfacing;
Ри - энергия ударных волн деформации;P and - energy of shock waves of deformation;
ƒ - частота ударов;ƒ is the frequency of blows;
Pst - предварительное статическое поджатие волновода;P st - preliminary static compression of the waveguide;
S - направление подачи: источника концентрированного потока энергии относительно заготовки на фиг. 2а, деформирующего инструмента на фиг. 2б, режущего инструмента субтрактивного модуля (фрезы) на фиг. 2в (оно везде одинаковое);S is the direction of feeding: the source of the concentrated energy flux relative to the workpiece in FIG. 2a, the deforming tool in FIG. 2b, the cutting tool of the subtractive module (cutter) in FIG. 2c (it is the same everywhere);
n - частота вращения режущего инструмента субтрактивного модуля (фрезы).n is the rotation frequency of the cutting tool of the subtractive module (cutter).
Работа устройства происходит при осуществлении следующих этапов (фиг. 2):The operation of the device occurs during the implementation of the following stages (Fig. 2):
а - послойная наплавка материала (одного или нескольких слоев) с помощью аддитивного модуля;a - layer-by-layer surfacing of the material (one or more layers) using an additive module;
б - упрочнение статико-импульсной обработкой волной деформации (одного или нескольких) наплавленных слоев, причем с целью повышения эффективности упрочнения, в зависимости от марки, свойств и химического состава материала, металл деформируют при температуре более 100°С, но ниже температуры рекристаллизации, этот этап осуществляется с помощью упрочняющего модуля, причем упрочняющий модуль позволяет за счет волнового деформационного воздействия структурировать, уплотнить, упрочнить и снять напряжения в выращенном слое;b - hardening by static-pulse processing by a deformation wave (one or several) of the deposited layers, and in order to increase the efficiency of hardening, depending on the grade, properties and chemical composition of the material, the metal is deformed at a temperature of more than 100 ° C, but below the recrystallization temperature, this the stage is carried out with the help of a hardening module, and the hardening module makes it possible, due to the wave deformation effect, to structure, compact, harden and relieve stresses in the grown layer;
в - механическая обработка наплавленной и, если необходимо, упрочненной поверхности, с целью удаления дефектного слоя и обеспечения высокой точности и низкой шероховатости ответственных поверхностей с помощью субтрактивного модуля.c - mechanical treatment of the deposited and, if necessary, hardened surface, in order to remove the defective layer and ensure high accuracy and low roughness of critical surfaces using a subtractive module.
Устройство для создания деталей аддитивно-субтрактивно-упрочняющей технологией работает следующим образом.The device for creating parts by additive-subtractive-hardening technology works as follows.
На поворотном столе 4 (фиг. 1) устанавливается металлическое основание, на котором будет осуществляться выращивание детали 11. Включается аддитивный модуль 1 с входящими в него узлами подачи проволоки 2, узлом для наплавки один 7 и узлом для наплавки два 8. С помощью приводов подачи по трем координатам источники концентрированного потока энергии 16 и 17 подводятся к металлическому основанию, которое установлено на поворотном столе 4, и с помощью осциллятора задействованного узла для наплавки зажигают электрическую дугу без контакта с поверхностью металлического основания. Движения источников концентрированного потока энергии 16 и 17 осуществляются автоматизированной системой управления приводами подачи по трем координатам с помощью управляющей программы числового программного управления устройства. Наплавка материала осуществляется в один или несколько слоев в зависимости от геометрии, свойств наплавляемого металла и требованиям к его качественным характеристикам. При наплавке непрерывно работают осцилляторы узлов для наплавки, сообщающие колебания источникам концентрированного потока энергии 16 и 17, соответственно, А1 и А2, а также автоматизированная система управления подачей по трем координатам с обратной связью по зазору между концом наплавляемой проволоки и поверхностью выращиваемой детали 11, что позволяет поддерживать горение, необходимое для наплавки слоев металлического материала и обеспечивать устойчивость процесса выращивания.A metal base is installed on the turntable 4 (Fig. 1), on which the
Процесс выращивания детали лазерной, электронно-лучевой, плазменной или электродуговой послойной наплавкой материала из проволоки по сравнению с порошковыми аддитивными технологиями, экономически многократно более выгоден и обеспечивает более высокую производительность. Недостатки такой технологии в виде дефектов структуры, высокой пористости и меньшей точности компенсируются упрочняющей и механической обработкой в процессе получения детали.The process of growing a part by laser, electron-beam, plasma or electric-arc layer-by-layer surfacing of a material from a wire, compared to powder additive technologies, is economically many times more profitable and provides higher productivity. The disadvantages of this technology in the form of structural defects, high porosity and lower accuracy are compensated for by hardening and mechanical treatment in the process of obtaining the part.
После наплавки одного или нескольких слоев металлического материала, в соответствии с управляющей программой, включается упрочняющий модуль 5 с входящим в него генератором импульсов 6, основными элементами которого являются боек 12 и волновод 13. Генератор импульсов подводится приводами подачи по трем координатам упрочняющего модуля 5 к наплавленному металлическому слою 10 и поджимается к нему волноводом 13 через деформирующий инструмент 14 с силой Pst. При упрочнении боек 12 ударяет по волноводу 13 статически поджатому к наплавленному металлическому слою 10 через деформирующий инструмент 14, в результате в ударной системе боек-волновод генерируются плоские акустические волны, которые характеризуются законом изменения сил (амплитудой волны деформации) во времени, максимальным значением сил, временем действия сил (длительности волны деформации) и энергией волны деформации. Эти характеристики зависят от геометрии соударяющихся бойка 12 и волновода 13, свойств их материалов и скорости соударения. Волна деформации состоит из последовательности импульсов, длительность каждого из которых равна периоду волны. Форма ударного импульса (изменение силы по времени), поступающего в очаг деформации, будет определять эффективность динамического нагружения. Форма ударного импульса, поступающего в очаг деформации и область контакта деформирующего инструмента 14 с наплавленным металлическим слоем 10, будет определять эффективность динамического нагружения. Предварительное статическое поджатие волновода 13 способствует наиболее полному использованию импульсной нагрузки для пластического деформирования наплавленного металлического слоя 10. При упрочнении форма ударных импульсов максимально адаптируется к свойствам материала и условиям нагружения, что увеличивает КПД процесса упрочнения, расширяет технологические возможности обработки наплавленного металлического слоя 10.After surfacing one or several layers of metal material, in accordance with the control program, the hardening
Упрочняющий модуль, осуществляющий технологию упрочнения статико-импульсной обработкой, позволяет структурировать, уплотнить, упрочнить материал выращенного слоя, формировать вместо растягивающих остаточных напряжений термической природы, сжимающие. Упрочнение распространяется на большую, чем наплавляемый слой, глубину, что позволяет применять статико-импульсную обработку волной деформации не послойно, т.е. после наплавки одного слоя металла, а после наплавки нескольких слоев, что способствует повышению производительности процесса. При использовании волнового деформационного упрочнения появляется возможность создания гетерогенно упрочненной структуры выращенного металлического материала, сочетающей одновременно твердые и пластичные участки, обладающей высокой эффективностью при эксплуатации в условиях действия усталостных нагрузок.The hardening module, which implements the technology of hardening by static-impulse treatment, makes it possible to structure, compact, harden the material of the grown layer, and form, instead of tensile residual stresses of a thermal nature, compressive ones. Strengthening extends to a depth greater than the deposited layer, which allows the use of static-impulse processing by a deformation wave not layer by layer, i.e. after surfacing of one layer of metal, and after surfacing of several layers, which contributes to an increase in the productivity of the process. When using wave strain hardening, it becomes possible to create a heterogeneously hardened structure of the grown metal material, which combines both hard and plastic regions, which is highly efficient in operation under conditions of fatigue loads.
После упрочняющей обработки, в соответствии с управляющей программой, включается субтрактивный модуль 3, рабочим органом которого является шпиндельная головка с режущим инструментом субтрактивного модуля (фреза) 9. Фреза 9 субтрактивного модуля 3 подводится к упрочненному наплавленному металлическому слою и производит, в соответствии с управляющей программой, обработку резанием его боковых поверхностей, удаляя дефектные слои и наплывы, а также обеспечивая высокую точность и низкую шероховатость ответственных поверхностей.After hardening processing, in accordance with the control program, the
Далее цикл повторяется в соответствии с требованиями к выращиваемой детали.Then the cycle is repeated in accordance with the requirements for the grown part.
Ниже приведены примеры типичных деталей, которые целесообразно изготовлять, используя предлагаемую аддитивно-субтрактивно-упрочняющую технологию. Показано, за счет чего увеличится эффективность изготовления в случае применения предлагаемого устройства.Below are examples of typical parts that are advisable to be manufactured using the proposed additive-subtractive-hardening technology. It is shown, due to which, the manufacturing efficiency will increase in the case of using the proposed device.
Пример 1. Выращивание протяженной монометаллической крупногабаритной детали, типа «Нервюра» или «Сотовая панель» [6] (фиг. 3) одновременно с двух сторон двумя узлами для наплавки и, соответственно, двумя источниками концентрированного потока энергии, работающими проволокой одного и того же диаметра, что позволяет повысить производительность выращивания до 2 раз.Example 1. Growing an extended monometallic large-sized part, such as "Nervura" or "Honeycomb panel" [6] (Fig. 3) simultaneously from two sides by two nodes for surfacing and, accordingly, two sources of concentrated energy flow, working with a wire of the same diameter, which allows you to increase the productivity of growing up to 2 times.
Пример 2. Выращивание монометаллической крупногабаритной детали с существенно отличающимися по толщине элементами: массивными несущими элементами корпуса и тонкими ребрами, тонкостенными полыми бобышками, деталь типа «Шейка вала» [7] (фиг. 4). При выращивании таких деталей одним узлом для наплавки следует выбирать проволоку малого диаметра, так как минимально возможная толщина стенки конструктивного элемента детали всегда несколько больше толщины используемой для выращивания проволоки. В то же время производительность выращивания массивных толстостенных элементов прямо зависит от диаметра проволоки: с увеличением диаметра проволоки растет производительность. В целях расширения технологических возможностей предлагаемого устройства и повышения производительности выращивания целесообразно применять два узла для наплавки и, соответственно, два источника концентрированного потока энергии, один из которых работает проволокой большого диаметра и предназначен для выращивания массивных толстостенных элементов, а второй - малого диаметра и предназначен для выращивания тонкостенных элементов.Example 2. Growing a monometallic large-sized part with elements significantly different in thickness: massive load-bearing elements of the body and thin ribs, thin-walled hollow bosses, a part of the "Shaft neck" type [7] (Fig. 4). When growing such parts with one node, small-diameter wire should be chosen for surfacing, since the minimum possible wall thickness of the component's structural element is always slightly greater than the thickness used for growing the wire. At the same time, the productivity of growing massive thick-walled elements directly depends on the diameter of the wire: with an increase in the diameter of the wire, productivity increases. In order to expand the technological capabilities of the proposed device and increase the productivity of growing, it is advisable to use two nodes for surfacing and, accordingly, two sources of concentrated energy flux, one of which works with a wire of large diameter and is intended for growing massive thick-walled elements, and the second is of small diameter and is intended for growing thin-walled elements.
Пример 3. Выращивание биметаллической крупногабаритной детали типа «Биметаллическая втулка» (фиг. 5) двумя узлами для наплавки и, соответственно, двумя источниками концентрированного потока энергии, работающими проволоками одинакового или разных диаметров из различных материалов. При выращивании биметаллических деталей наплавка материала с низкой температурой плавления на материал с высокой температурой плавления, как правило, не представляет технологических сложностей.Example 3. Growing a bimetallic large-sized part of the "Bimetallic sleeve" type (Fig. 5) with two nodes for surfacing and, accordingly, two sources of concentrated energy flux, working with wires of the same or different diameters from different materials. When growing bimetallic parts, surfacing of a material with a low melting point on a material with a high melting point, as a rule, presents no technological difficulties.
В то же время, при существенной разнице температур плавления наплавляемых материалов, серьезную сложность представляет наплавка материала с более высокой температурой плавления (внешней оболочки) на материал с низкой температурой плавления (внутренней оболочки). При образовании надежного биметаллического соединения на торцах тонких конструктивных элементов (ребер), вследствие оплавления возникают отклонения формы и размеров, нарушается геометрическая точность детали. Это существенно ограничивает технологические возможности способа и устройства, требует нанесения дополнительных промежуточных слоев из материалов специального состава, что, в свою очередь, существенно снижает производительность выращивания детали.At the same time, with a significant difference in the melting temperatures of the materials being deposited, a serious difficulty is the surfacing of a material with a higher melting point (outer shell) on a material with a low melting point (inner shell). When a reliable bimetallic joint is formed at the ends of thin structural elements (ribs), due to melting, deviations in shape and size occur, and the geometric accuracy of the part is violated. This significantly limits the technological capabilities of the method and device, requires the application of additional intermediate layers of materials of a special composition, which, in turn, significantly reduces the productivity of growing the part.
При использовании предлагаемого устройства проблема решается за счет послойного выращивания биметаллической детали двумя источниками концентрированного потока энергии, работающими проволоками одинакового или разных диаметров из различных материалов. При формировании каждого слоя вначале наплавляется материал с высокой температурой плавления (например, слой внешней оболочки), а затем материал с низкой температурой плавления (например, слой внутренней оболочки).When using the proposed device, the problem is solved by layer-by-layer growing of a bimetallic part by two sources of concentrated energy flow, working with wires of the same or different diameters from different materials. In the formation of each layer, a material with a high melting point (for example, a layer of an outer shell) is first deposited, and then a material with a low melting point (for example, a layer of an inner shell).
Технический эффект от использования в устройстве двух источников концентрированного потока энергии заключается в расширении технологических возможностей устройства и повышении производительности выращивания.The technical effect of using two sources of concentrated energy flow in the device is to expand the technological capabilities of the device and increase the productivity of growing.
Источники информации, принятые во вниманиеSources of information taken into account
1. US 6657155 (B2). Method of and apparatus for making a threedimensional object. 20031. US 6657155 (B2). Method of and apparatus for making a threedimensional object. 2003
2. US 2019111509 (A1). Wire arc hybrid manufacturing. 20192.US 2019111509 (A1). Wire arc hybrid manufacturing. 2019
3. US 20070122560 (A1). Solid-free-form fabrication process including in-process component deformation. 20073. US 20070122560 (A1). Solid-free-form fabrication process including in-process component deformation. 2007
4. Возможности аддитивно-субтрактивно-упрочняющей технологии / Киричек А.В., Соловьев Д.Л., Жирков А.А., Федонин О.Н., Федонина C.O., Хандожко А.В. // Вестник Брянского государственного технического университета. 2016. №4 (52). С. 151-1604. Possibilities of additive-subtractive-hardening technology / Kirichek A.V., Soloviev D.L., Zhirkov A.A., Fedonin ON, Fedonina C.O., Khandozhko A.V. // Bulletin of the Bryansk State Technical University. 2016. No. 4 (52). S. 151-160
5. Киричек А.В., Соловьев Д.Л., Лазуткин А.Г. Технология и оборудование статико-импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием. Библиотека технолога. М.: Машиностроение, 2004. 288 с.5. Kirichek A.V., Soloviev D.L., Lazutkin A.G. Technology and equipment for static-impulse treatment by surface plastic deformation. Technologist's library. M .: Mashinostroenie, 2004.288 p.
6. https://3dtoday.ru/blogs/news3dtoday/large-3d-printing-metals-technology-eubam-company-sciaky/6.https: //3dtoday.ru/blogs/news3dtoday/large-3d-printing-metals-technology-eubam-company-sciaky/
7. https://3dtoday.ru/blogs/news3dtoday/provoloka-dlya-additivnykh-tekhnologiy-innovatsii-i-traditsii-v-odnom-produkte/7.https://3dtoday.ru/blogs/news3dtoday/provoloka-dlya-additivnykh-tekhnologiy-innovatsii-i-traditsii-v-odnom-produkte/
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020129073A RU2750603C1 (en) | 2020-09-02 | 2020-09-02 | Apparatus for production of parts using additive-subtractive-hardening technology |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020129073A RU2750603C1 (en) | 2020-09-02 | 2020-09-02 | Apparatus for production of parts using additive-subtractive-hardening technology |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2750603C1 true RU2750603C1 (en) | 2021-06-29 |
Family
ID=76755823
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020129073A RU2750603C1 (en) | 2020-09-02 | 2020-09-02 | Apparatus for production of parts using additive-subtractive-hardening technology |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2750603C1 (en) |
Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20130319981A1 (en) * | 2012-05-31 | 2013-12-05 | Agie Charmilles New Technologies Sa | Dual laser head |
CN104526359A (en) * | 2014-12-30 | 2015-04-22 | 深圳市圆梦精密技术研究院 | Multi-electron-beam fusing and milling composite 3D printing device |
CN104741609A (en) * | 2015-03-31 | 2015-07-01 | 深圳市圆梦精密技术研究院 | Electron beam melting and cutting combined 3D printing equipment |
CN105945578B (en) * | 2016-05-17 | 2018-05-22 | 西安智熔金属打印系统有限公司 | A kind of compound increasing material manufacturing device of electron beam |
RU2674588C2 (en) * | 2017-04-25 | 2018-12-11 | Общество с ограниченной ответственностью "Научный логистический центр" | Method for additive welding and melting manufacture of three-dimensional products and installation for its implementation |
RU193473U1 (en) * | 2019-01-30 | 2019-10-30 | Общество с ограниченной ответственностью "Научный логистический центр" | Installation for additive manufacturing of three-dimensional products |
RU2705841C1 (en) * | 2016-01-14 | 2019-11-12 | Арконик Инк. | Methods of articles production by means of additive production |
RU2711694C2 (en) * | 2012-07-16 | 2020-01-21 | Экс Сцинтилла Лимитед | Processing machine |
RU2729279C1 (en) * | 2017-01-22 | 2020-08-05 | Циньхуа Юниверсити | Equipment for additive production using combined process of selective electron-beam melting and electron-beam cutting |
-
2020
- 2020-09-02 RU RU2020129073A patent/RU2750603C1/en active
Patent Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20130319981A1 (en) * | 2012-05-31 | 2013-12-05 | Agie Charmilles New Technologies Sa | Dual laser head |
RU2711694C2 (en) * | 2012-07-16 | 2020-01-21 | Экс Сцинтилла Лимитед | Processing machine |
CN104526359A (en) * | 2014-12-30 | 2015-04-22 | 深圳市圆梦精密技术研究院 | Multi-electron-beam fusing and milling composite 3D printing device |
CN104741609A (en) * | 2015-03-31 | 2015-07-01 | 深圳市圆梦精密技术研究院 | Electron beam melting and cutting combined 3D printing equipment |
RU2705841C1 (en) * | 2016-01-14 | 2019-11-12 | Арконик Инк. | Methods of articles production by means of additive production |
CN105945578B (en) * | 2016-05-17 | 2018-05-22 | 西安智熔金属打印系统有限公司 | A kind of compound increasing material manufacturing device of electron beam |
RU2729279C1 (en) * | 2017-01-22 | 2020-08-05 | Циньхуа Юниверсити | Equipment for additive production using combined process of selective electron-beam melting and electron-beam cutting |
RU2674588C2 (en) * | 2017-04-25 | 2018-12-11 | Общество с ограниченной ответственностью "Научный логистический центр" | Method for additive welding and melting manufacture of three-dimensional products and installation for its implementation |
RU193473U1 (en) * | 2019-01-30 | 2019-10-30 | Общество с ограниченной ответственностью "Научный логистический центр" | Installation for additive manufacturing of three-dimensional products |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Singh et al. | A review on process planning strategies and challenges of WAAM | |
Jiménez et al. | Powder-based laser hybrid additive manufacturing of metals: a review | |
US11298792B2 (en) | Combined additive manufacturing method applicable to parts and molds | |
Merklein et al. | Hybrid additive manufacturing technologies–an analysis regarding potentials and applications | |
Paris et al. | Process planning for combined additive and subtractive manufacturing technologies in a remanufacturing context | |
Li et al. | High deposition rate powder-and wire-based laser directed energy deposition of metallic materials: A review | |
Zhang et al. | Hybrid direct manufacturing method of metallic parts using deposition and micro continuous rolling | |
Zhu et al. | A review of hybrid manufacturing processes–state of the art and future perspectives | |
Korkmaz et al. | A technical overview of metallic parts in hybrid additive manufacturing industry | |
Wang et al. | Influences of pulse laser parameters on properties of AISI316L stainless steel thin-walled part by laser material deposition | |
US8629368B2 (en) | High-speed, ultra precision manufacturing station that combines direct metal deposition and EDM | |
Hassanin et al. | Surface finish improvement of additive manufactured metal parts | |
Kozak et al. | Accuracy problems of additive manufacturing using SLS/SLM processes | |
Feldhausen et al. | Review of Computer-Aided Manufacturing (CAM) strategies for hybrid directed energy deposition | |
US20180221958A1 (en) | Parts and methods for producing parts using hybrid additive manufacturing techniques | |
CN101780544A (en) | Method for forming refractory metal parts by using laser | |
Costello et al. | The state-of-the-art of wire arc directed energy deposition (WA-DED) as an additive manufacturing process for large metallic component manufacture | |
Kapil et al. | 5-axis slicing methods for additive manufacturing process | |
Yasa | Selective laser melting: principles and surface quality | |
Matviichuk et al. | Application of additive electron-beam technologies for manufacture of metal products | |
Wang et al. | A fundamental investigation on three–dimensional laser material deposition of AISI316L stainless steel | |
Li et al. | Bending-Additive-Machining hybrid manufacturing of sheet metal structures | |
RU2750603C1 (en) | Apparatus for production of parts using additive-subtractive-hardening technology | |
Chen et al. | Slicing strategy and process of laser direct metal deposition (DMD) of the inclined thin-walled part under open-loop control | |
Xingying et al. | Experimental and modeling study of surface topography generation considering tool-workpiece vibration in high-precision turning |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PD4A | Correction of name of patent owner |