Введение
Моделирование на сегодняшний день является средством теоретического изучения сложных вопросов в различных областях науки, техники и промышленности. Одна из самых распространенных областей промышленности, где очень сильно развито моделирование технических объектов и систем, - машиностроение и машиноведение [1; 2].
В современной промышленности высокими темпами развиваются аддитивные технологии. Применение аддитивных технологий дает возможность изготавливать изделия сложной формы. В качестве одного из способов можно использовать электродуговую наплавку плавящимся электродом в среде защитных газов [3].
Наплавка плавящимся электродом в среде защитных газов обладает высокой производительностью, а также дает возможность выполнять послойное наплавление валиков. Данным способом возможно изготавливать объемные конструкции. Наплавление металлических слоев и изготовление металлических объемных изделий сложной формы осуществляется за счет плавления проволоки [4]. В тех случаях, когда проведение экспериментальных, лабораторных, натурных исследований ведет к большим затратам средств и времени, применяется моделирование различных технических систем и технологических процессов.
На сегодняшний день моделирование различных технических систем и технологических процессов нашло широкое применение. Моделирование применяют для решения теоретических сложных нелинейных задач [5-11].
Моделирование дает возможность в кратчайшие сроки рассчитывать модели различных сложных технических систем и технологических процессов. Оно позволяет создавать модели, в которых учитывается большое количество факторов, действующих на техническую систему [12]. Разработку подобных моделей удобно проводить с использованием программного комплекса CONSOL Multiphysics. CONSOL - это платформа, позволяющая разработать модель, адаптированную к реальным условиям, с учетом множества физических процессов, действующих на техническую систему. Данная программа позволяет использовать стандартные функции, уравнения, а также предлагаемые дифференциальные уравнения в частных производных. Многофункциональность позволяет в кратчайшие сроки получить модель, максимально приближенную к реальным технологическим процессам [13; 14].
В работе определены геометрические параметры наплавляемого валика и оптимальные режимы разработанного способа электродугового прямого послойного выращивания металлических изделий.
Определение зависимости геометрических параметров наплавляемого валика от режимов электродугового выращивания происходило в два этапа: моделирование и экспериментальные исследования.
Постановка задачи
Моделирование процесса электродугового послойного выращивания является сложной мультифизической задачей, в которой тесно взаимодействуют процессы электродинамики, теплопередачи в твердых и жидких средах, движения жидкости, физика твердого тела и т.д. Следует отметить, что для реализации модели были использованы температурозависимые параметры, характеризующие физико-механические свойства материала.
Основная задача компьютерной модели – получить оптимальные параметры режима электродугового послойного выращивания для требуемой геометрии наплавляемого валика. Для построения компьютерной модели в программном комплексе CONSOL Multiphysics в качестве входных параметров используются параметры, представленные на рис. 1.
Рис. 1. Схема функционирования модели
Проводилось имитационное моделирование наплавки валика на металлическую пластину. Схема пластины представлена на рис. 2.
Рис. 2. Схема пластины
Входные параметры для имитационного моделирования:
|
Сила сварочного тока, А |
70…80 |
|
Напряжение дуги, В |
20…23 |
|
Скорость сварки, мм/мин |
100…500 |
|
Размеры детали, мм |
20х80х5 |
|
Длина валика, мм |
70 |
|
Скорость защитного газа, м/с |
0,2 |
|
Диаметр наплавляемого материала, мм |
0,8 |
|
Скорость подачи наплавляемого материала, м/с |
0,015 |
|
Время остывания, с |
120 |
В качестве источника теплоты использовался объёмный источник с двойным элипсоидным распределением. Параметры источника теплоты (рис. 3):
|
f_f |
0,67 |
|
f_r |
1,33 |
|
AF, мм |
3 |
|
AR, мм |
14 |
|
b, мм |
6 |
|
C, мм |
3 |
Рис. 3. Параметры источника теплоты
В результате расчетов получена имитационная модель геометрических параметров наплавляемого валика. Графическая иллюстрация результатов численного компьютерного моделирования представлена на рис. 4.
Рис. 4. Численное компьютерное моделирование в среде CONSOL Multiphysics
Методика проведения исследований
Для подтверждения имитационной модели было произведено электродуговое послойное выращивание плавящимся электродом с использованием разработанного 3D-принтера. В качестве электрода использовалась сварочная проволока марки Св-08Г2С диаметром
Электродуговое послойное выращивание происходило по следующей технологии. Первой стадией разработанной технологии являлось создание компьютерной модели изготавливаемого изделия. На следующей стадии происходила разбивка созданной модели на слои. Формирование объекта выполнялось на 3D-принтере. В качестве источника питания применялся инверторный выпрямитель. Слои формировались на подвижном столе, обеспечивающем точное перемещение по заданной траектории по координатам X и Y. Движущаяся горелка обеспечивала точное позиционирование по координате Z в результате плавления проволоки и подплавления поверхности подложки или предшествующего слоя. За один проход наплавлялся слой толщиной от 3 до
Основными геометрическими параметрами валиков, наплавленных электродуговым послойным выращиванием, были выбраны:
- ширина выращенного валика e (мм);
- высота выращенного валика g (мм).
Схема расположения мест определения геометрических параметров выращенного валика представлена на рис. 5.
Обработка результатов производилась при помощи программного обеспечения Компас-3D.
Для определения геометрических параметров выращенного валика были наплавлены образцы плавящимся электродом в среде защитных газов. Далее из каждого образца были изготовлены шлифы в поперечном направлении (т.е. разрез образца выполнялся перпендикулярно наплавленному валику). Вырезанные шлифы шлифовались, полировались на алмазной пасте АСМ 10/7 НВЛ. Для выявления макроструктуры шлифы протравили в 4%-м спиртовом растворе азотной кислоты.
Рис. 5. Схема расположения мест определения
геометрических параметров выращенного валика
Обсуждение результатов исследования
Анализ результатов исследования показал, что геометрические параметры валиков, выращенных на различных режимах, отличаются друг от друга (рис. 6).
|
|
|
|
а) |
б) |
|
|
|
|
в) |
г) |
|
|
|
|
д) |
|
|
Рис. 6. Поперечные шлифы выращенных валиков: а - режим 1; б - режим 2; в - режим 3; г - режим 4; д - режим 5 |
|
Усредненные значения геометрических параметров выращенных валиков представлены на рис. 7.
|
|
|
|
а) |
б) |
|
Рис. 7. Геометрические параметры выращенных валиков: а - ширина валика; б - высота валика |
|
Выводы
1. Предложена модель геометрических параметров наплавляемого на различных режимах валика. Полученные значения хорошо коррелируются с экспериментальными данными. Погрешность составляет 1...3 %.
2. На основе предложенной модели определен оптимальный диапазон режимов электродугового послойного выращивания, обеспечивающий требуемые геометрические параметры наплавляемого валика. Высота валика составляет 3 мм, ширина валика - 3,5 мм.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-38-00036.
