Применение селективного лазерного спекания для изготовления горношахтного оборудования

© H.A. Сапрыкина, A.A. Сапрыкин, 2012

Н.А. Сапрыкина, A.A. Сапрыкин

ПРИМЕНЕНИЕ СЕЛЕКТИВНОГО ЛАЗЕРНОГО СПЕКАНИЯ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГОРНОШАХТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Для изготовления изделий селективным лазерным спеканием, применяемым в горношахтном оборудовании, выявлены и проанализированы факторы, влияющие на качество поверхностного слоя. Описан эксперимент по спеканию медного порошка ПМС-1. Предложена математическая модель для расчета толщины спеченного слоя.

Ключевые слова: горношахтное оборудование, послойное лазерное спекание, режимы спекания, качество поверхностного слоя.

Появление в конце XX века технологий быстрого про-тотипирования можно также сравнить с технологическим прорывом, позволяющим в десятки раз сократить время подготовки производства новых изделий. В настоящее время технологии быстрого прототипирования применяются для создания изделий горношахтного оборудования. Для повышения качества изделий широко изучается проблема синтеза с заранее заданными физико-механическими свойствами. Интенсивные разработки в этом направлении ведут практически все промышленные корпорации [1].

Перспективной технологией быстрого прототипирования, позволяющей изготавливать функциональные изделия является технология селективного лазерного спекания (СЛС). Основной научно-технической проблемой технологии СЛС являются низкие прочностные и качественные характеристики синтезируемых изделий. Решение этой проблемы позволит изготавливать изделия, которые не отличаются свойствами от изделий, полученных традиционными способами, такими как механическая обработка, фасонное литье, обработка давлением и т.п. Очень важными параметрами являются точность и качество поверхности спеченного лазером изделия. Применяемый прототип должен обладать заданным качеством и точностью. Достаточно трудной задачей является создание методики нормирования технологических режимов послойного лазерного спекания порошковых материалов, с прогнози-руемостью параметров точности. Для решения поставленной

задачи необходимо выделить факторы, оказывающие наибольшее влияние на процесс и обеспечивающие качество поверхностного слоя спекаемого изделия — это толщина спекаемого слоя, плотность мощности лазерного излучения, скорость сканирования, расстояние между проходами лазерного луча, диаметр лазерного пятна, гранулометрический состав спекаемого порошка и т.д. [2]

Проведены эксперименты по спеканию медного порошка ПМС-1 (ГОСТ 4960) для выяснения влияния того или иного фактора на точность поверхности [3], который применяется в порошковой металлургии для изготовления спеченных изделий. Исследования проводились на оригинальной установке селективного лазерного спекания, позволяющей регулировать все технологические параметры спекания.

Экспериментальная установка представляет собой технологический лазерный комплекс формирования поверхностей деталей сложной пространственной формы. Она включает в себя иттербиевый волоконный лазер ЛК-100-В (длина волны 1,07 мкм), трехкоординатный стол, персональный компьютер, система ЧПУ и оригинальное программное обеспечение.

Для создания математической модели зависимости толщины спекаемого слоя от режимов спекания был проведен че-тырехфакторный эксперимент [3]. Уровни и интервалы варьирования выбирались по результатам предварительных поисковых экспериментов, приведены в табл. 1. Диаметр пятна лазера при спекании равнялся 0,5 мм. Эксперимент был поставлен по программе центрального планирования второго порядка. Реализованы шестнадцать опытов полного факторного эксперимента 24 и семь опытов в центре плана, дополнили восьмью опытами в «звездных» точках [4]. Толщина слоя измерялась на цифровом микроскопе ИМЦ 100х50, с точностью 0,01мм.

После нахождения коэффициентов и подстановки их значений в уравнение оно получило вид:

г = 1,06 + 0,168 • х1 - 0,239 • х2 + 0,047 • х3 + 0,023 • х4 +

+0,237 • х1 • х2 + 0,219 • х1 • х3 + 0,05 • х1 • х4 + 0,004 • х2 • х3 -

-0,116 • х2 • х4 + 0,045 • х3 • х4 - 0,036х1 • х2 • х3 • х4 -

-0,076 • х2 - 0,066 • х22 + 0,004 • х32 - 0,028х42.

Таблица 1

Кодирование факторов

Уровни и интервалы варьирования факторов Мощность, Вт Скорость перемещения лазера, м/мин Температура порошка, С0 Шаг, мм

Кодовое обозначение

Х1 Х2 Хз Х4

Верхний уровень «+» 30 3 200 0,3

Нижний уровень «-» 14 0,2 26 0,1

Интервал 8 1,4 87 0,1

варьирования

Нулевой уровень 22 1,6 113 0,2

а б в

Рис. 1. Фотографии медных образцов, спеченных на разных режимах: а — Р = 15 Вт, V = 0,2 м / мин, £ = 20СЛ = 0,3 мм , б — Р = 30 Вт, V = 3 м/мин,£ = 20 СЛ = 0,3 мм , в — Р = 22 Вт, V = 0,2 м/мин, £ = 114С0, Ь = 0,2 мм

Исключив из уравнения статистически незначимые коэффициенты уравнение принимает вил:

я = 1,06 + 0,168 • х1 - 0,239 • х2 + 0,047 • х3.

Алекватность полученной молели проверена с помощью расчетного критерия Фишера. Для улобства интерпретации полученных результатов и практических расчетов уравнение преобразовываем по формулам перехола от колированных значений к натуральным значениям факторов:

х _ Р? - Р,р0 . х _ V - V, . х = . х _ Л? - Л?0 х' _ ьр? •Х2 _ ДV .Х3 _ Ы .Х4 _ ДЬ? •

гле (Рпр0 У0, £0, Ьпр0)— натуральные значения факторов на основных уровнях; Д^пр, ДV, Д£, ДЬпр - значения интервалов варьирования.

1,6 1,4

а1,2 2

Ч! 1

0

И 0,8

те '

1

=10,6

с

о

-0,4 0,2 0

х—*

-У=200 мм/мин, 1=26о, в=0,1 мм

-У=200 мм/мин, 1=200о, в=0,1 мм

-У=3000 мм/мин, 1=26о, в=0,1 мм

-У=3000 мм/мин, 1=200о, в=0,1 мм

14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 Мощность, Вт

Рис. 2 Зависимость толщины спеченного слоя от мощности лазерного излучения

Таким образом,

_ р -15 _ V\ - 200 _ ^ - 26 _ И1 - 0,1 Х1 _ 7,5 ; _ 1400 ; *3 _ 87 ; _ 0,1 ,

Уравнение, с учетом преобразований представлено следующим выражением:

г1 _ 0,7441 + 0,0224 • Р - 0,00017 • V + 0.00054 • t.

Изменение мощности в диапазоне от 30 до 15 Вт приводит к уменьшению толщины спеченного слоя г с 1000 до 600 мкм (рис. 2), таким образом, мощность интенсивно влияет на толщину слоя. Варьирование скорости от 3 до 0,2 м/мин приводит к увеличению толщины слоя с 1000 до 1490 мкм. Температура подогрева порошкового материала и шага перемещения луча лазера имеют незначительное влияние на толщину спеченного слоя. Поэтому, мощность излучения и скорость перемещения луча лазера являются основными параметрами, влияющими на толщину спеченного слоя, но шаг и температура подогрева порошкового материала должны обязательно включаться в модель управления.

Использование эмпирической зависимости позволяет прогнозировать толщину слоя при назначении режимов лазерного спекания металлических порошков. Это позволит улучшить качество изделий, применяемых в горношахтном оборудовании.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Шишковский И.В. Лазерный синтез функционально-градиентных ме-зоструктур и объемных изделий. -М.:ФИЗМАТЛИТ, 2009. — 424 с. — ISBN 978—5-9221—1122—5

2. Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов: Справочник/ H.H. Рыкалин, А.А. Углов, И.В. Зуев, А.Н. Кокора. — М.: Машиностроение, 1985. — 496 с.

3. Короткова Л.П., Косов В.В., Пратасеня Н.В. Перспективы применения порошковых инструментальных сталей в современном машинострое-нии//Обработка металлов. — 2005. — №2(27). — С.15 — 18.

4. Спиридонов A.A. Планирование эксперимента при исследовании технологических процессов. — М.: Машиностроение, 1981. — 184с. ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Сапрыкин Александр Александрович — кандидат технический наук, доцент, заведующий кафедрой металлургии черных металлов, alex_sapr@rambler.ru, Сапрыкина Наталья Анатольевна — старший преподаватель, nat_anat_sapr@mail.ru, Юргинский технологический институт (филиал) Национального исследовательского Томского политехнического университета