from 01.01.2021 to 01.01.2023
Samara, Russian Federation
Samara, Russian Federation
UDK 621.7.015 Качество обработанной поверхности
The research results presented in this article are devoted to the study of the vibration treatment effect on the surface layer of flat samples made of titanium alloy VT-6 obtained using selective laser melting (SLM) technology. Titanium alloys are the materials, used in various fields of industry due to their unique properties, namely high strength and lightness. However, when treating such materials, there is a number of problems connected with the high hardness and complexity of post-processing products after their growing. Post-processing operations require automation for driving down various types of costs. Vibration treatment is one of the possible solutions to this problem. Within studies a sample roughness was measured and the material removal rate was calculated based on the vibration treatment criteria. The results showed that rough grind-ing of flat surfaces into vibrofinishing equipment is an effective method for achieving the required surface parameters when treating products made of titanium alloys obtained by the SLM method. This can result in improved finish, increased produc-tivity and costs saving. The analysis of the results makes it possible to give recommendations for rough grinding of surfaces made of titanium alloys. The process must be carried out in two stages: 1) to have maximum material removal from the sur-face 2) to improve the roughness. Thus, the results of the study can be helpful for various industrial sectors where titanium alloys are used, also contributing to the further development of technologies for products treatment made from difficult-to-machine materials and obtained by using SLM technology.
post-processing, vibration treatment, barrel finishing, surface layer, roughness, selective laser melting, additive technologies
Введение
Аддитивные технологии являются перспективной и активно развивающимися технологиями, которые все чаще встречаются в производстве. На данный момент отрасль насчитывает более 15 видов технологий 3D-печати, по которым производятся детали из различных материалов [1]. Из плюсов данных технологий стоит выделить: сокращение рабочего процесса и значительное уменьшение производственных отходов, вариативность форм, получаемых изделий, изготовление деталей высокой сложности, улучшенные механические свойства и др. [2]. Но также есть и минусы: высокая стоимость, ограниченность в материале, возникновение внутренних напряжений, ограниченность в размерах. Качество поверхности, полученное после изготовления, является еще одним недостатком аддитивных технологий. Зачастую таким методом нельзя получить уже готовую деталь, т. к. точность не всегда будет соответствовать конструкторским требованиям, поэтому существует потребность в постобработке таких изделий.
Постобработка ‒ это процесс или последовательность операций, которые необходимо совершить с изделием после его изготовления с помощью аддитивных технологий для получения требуемых характеристик [3]. Постобработка может занимать до 70 % времени, затраченного на весь процесс аддитивного производства изделия. Объясняется это тем, что почти все этапы постобработки изделия производятся вручную, являются трудоемкими и длительными процессами.
Ручная постобработка имеет свои ограничения: низкая производительность, трудность в прогнозирование времени обработки, невозможность обработки сложных элементов изделия. Именно эти ограничения являются основной проблемой использования аддитивных технологий в среднесерийном и крупносерийном производстве.
В последнее время появляется все больше технологий и установок для замены ручной постобработки на автоматическую [4]. В данной статье речь пойдет об одном из методов улучшения шероховатости изделий после 3D-печати, а именно, галтовании, который может использоваться при изготовлении средней и крупной серии изделий [5]. Можно выделить четыре основных вида галтовочного оборудования: галтовочные барабаны; виброгалтовки; роторное галтовочное оборудование; «буксирные» галтовки.
Галтование активно применяется в машиностроении для осуществления безразмерной финишной обработки изделий. Благодаря этой технологии возможно удаление облоя, заусенцев, ржавчины, окалины, скругление острых кромок, улучшение качества поверхности и снижение шероховатости. В качестве рабочего инструмента при галтовании используют свободные абразивы, которые изготавливаются из разного рода материалов и имеют различную форму. На рис. 1 показаны основные виды галтовочных абразивов в зависимости от состава, формы, размеров и свойств.
В качестве исследуемого оборудования в данной работе рассматривалась виброгалтовочная машина, как один из наиболее популярных типов галтовочного оборудования. При вибрационной обработке поверхность изделия подвергается многочисленным микроударам абразивного материала под действием вибраций, создаваемых рабочей камерой. Металл удаляется в результате механического или химико-механического диспергирования мельчайших частиц металла с обработанной поверхности абразивными телами [6].
Абразивная обработка сопровождается выделением тепла. Средняя температура в рабочей камере не более 40 °С. Динамическое воздействие галтовочных тел возрастает с увеличением глубины погружения изделия и зависит от расстояния от изделия до стенок камеры, колебательных параметров, размеров и плотности тел. Поэтому в одной партии деталей, обрабатываемых вместе, съем металла может быть неравномерным, а характеристики поверхности могут различаться.
При вибрационной обработке поверхностный слой формируется за счет многочисленных микроударов абразива. Следовательно, качество и физико-механические свойства поверхностного слоя, такие как шероховатость, микротвердость, остаточные напряжения и структура могут изменяться [7].
Целью данной работы является изучение и подбор рациональных режимов вибрационной обработки, а именно, частоты колебаний рабочей камеры, длительности обработки, интенсивности подачи вспомогательной жидкости и вида абразива для черновой шлифовки заготовок, полученных технологией селективного лазерного сплавления (СЛС) из титанового сплава ВТ6.
Описание эксперимента
Для проведения исследования использовалась галтовочная вибромашина AVALON WR60 mini, предназначенная для массовой (до 5…10 кг) шлифовки и полировки различных деталей (рис. 2).
Данная машина позволяет удалять заусенцы, затупить и округлить кромки, шлифовать, обезжиривать, чистить, удалять накипь, ржавчину, нагар, матировать и полировать. Имеется возможность обработки: пластиковыми, керамическими, фарфоровыми наполнителями.
Объектом исследования стали плоские прямоугольные образцы размером 65×8×2 мм в количестве восьми штук, изготовленные методом СЛС из сферичного титанового порошка ВТ6, часть из которых сплавлялась под углом 0°, а часть под углом 45° [8]. Образцы закреплялись в специальном приспособлении, в котором фиксировалась одна половина и не подвергалась воздействию галтовочных тел, для возможности проведения двух обработок на одном образце (рис. 3). При таком закреплении процесс обработки крайней части образца не изменится по сравнению с обработкой без данного приспособления. Но в средней части появляется труднодоступное место для воздействия абразивных тел, что негативно сказывается на процесс шлифовки. Протяженности образца достаточно, чтобы измерить его шероховатость, не затрагивая недообработанную зону, поэтому закрепление в приспособлении окажет незначительное влияние на результат.
В качестве абразива были выбраны пластиковые галтовочные тела от компании Avalon, которые предназначены для грубой шлифовки изделий из цветных сплавов и стали. Исследования проводились с двумя видами тел: конус и пирамида размерами 10×10 мм (рис. 4).
В качестве вспомогательной жидкости использовался компаунд V6 – химическая добавка с концентрацией ионов водорода pH 4,7, которая предназначена для удаления заусенцев, шлифовки и полировки сталей и цветных металлов. Рабочий раствор представляет собой смесь компаунда и воды в соотношении 2:100.
Для процесса галтования возможно изменение следующих параметров обработки: частота обработки (от 1050 до 1950 об/мин); интенсивность подачи вспомогательной жидкости (от 0 до 100 %); время обработки (от 2 до 8 ч). Исходя из этого, был составлен план эксперимента, отображенный в табл. 1, который включал в себя 16 обработок на разных режимах с использованием двух видов абразива
До и после обработки проводился замер контролируемых параметров каждого образца, а именно толщины и шероховатости поверхности в соответствии с ГОСТ 2789-73, ГОСТ Р ИСО 4287-2014 и ГОСТ 26877-2008. Для этого использовался кронциркуль Mitutoyo 209-406 и профилометр ИШП-210.
Результаты эксперимента
Данные, полученные в ходе проведения эксперимента, показаны в табл. 2. Проводилось шесть замеров толщины и шероховатости обработанной поверхности и вычислялось среднее значение, которые затем заносилось в табл. 2.
Для удобства анализа результатов, подсчитаем такие величины как изменение шероховатости (
), толщина съема материала (
), съем материала в единицу времени (
) и сведем их в табл. 3.
Наилучшие показатели были получены при обработке на следующих режимах: вид галтовочного тела – конус; частота обработки – 1950 об/мин; время – 8 ч; подача компаунда – 100 %, что видно из табл. 3. Но на данных режимах расход компаунда и электроэнергии будет максимальным, а обработка займет длительное время, поэтому необходимо провести анализ изменения каждого параметра, определить их влияние и понять, какие из них можно уменьшить для повышения экономичности обработки.
Анализ результатов
С помощью программы Statistica был проведен статистический анализ полученных результатов, определена зависимость шероховатости и съема материала от изменяемых параметров. Для этого была выполнена оценка корреляционных зависимостей выходных данных, оценка степени влияния категориальных факторов, а также оценка взаимного влияния групп факторов на отклики в плоскости двух факторов.
Оценка корреляционных зависимостей
выходных параметров
Коэффициент корреляции Пирсона r представляет собой меру линейной зависимости двух переменных. Предполагается, что две рассматриваемые переменные измерены, по крайней мере, в интервальной шкале, которая, в частности, используется в методе робастного планирования по Тагучи. Если r возвести его в квадрат, то полученное значение коэффициента детерминации представляет долю вариации, общую для двух переменных. Чтобы оценить зависимость между переменными, нужно знать, как «величину» корреляции, так и ее значимость. Уровень значимости, вычисленный для каждой корреляции, представляет собой главный источник информации о надежности корреляции. Критерий значимости основывается на предположении, что распределение остатков для зависимых переменных ΔRa и «Съем материала» является нормальным с постоянной (своей) дисперсией для всех значений каждого независимого фактора.
Матрица коэффициентов корреляции Пирсона для данного исследования, показана в табл. 4.
Таким образом, можно сделать следующие выводы:
1. Между откликами «ΔRa продольная» и «ΔRa поперечная» существует устойчивая корреляционная связь (r = 0,9), т. е. эти параметры реагируют на изменчивость факторов статистически одинаково.
2. Влияние вида абразива является значимым для «ΔRa продольная» и существенным для «ΔRa поперечная» c r = -0,58 и r = -0,45 соответственно.
3. Наибольшее влияние на «ΔRa поперечная» оказывает фактор «Обороты» с r = 0,6 и «Время экспозиции» с r = 0,51. Следует отметить, что увеличение этих факторов приводит к уменьшению изменения шероховатости, что, скорее всего, связанно с увеличенным временем обработки. Остальные факторы не оказывают существенное влияние на значение этого отклика.
4. Поскольку между «ΔRa поперечная» и «ΔRa продольная» существует устойчивая линейная зависимость, влияние вышеперечисленных факторов на «ΔRa продольная» сказывается аналогичным образом.
5. Фактор «Угол выращивания», исходя из корреляционного анализа, не является статистически значимым и его влияние на шероховатость минимально. Для подтверждения этого вывода следует прибегнуть к непараметрическому тесту сравнения Манна-Уитни двух групп экспериментов (с углом построения – 0° и 45°).
6. Наибольшее влияние на отклик «Съем материала» оказывает фактор «Время экспозиции» с r = -0,74 и «Обороты» с r = 0,43. Собственно говоря, оба эти фактора отвечают за производительность и выработку процесса. Отрицательный знак корреляции между «Съем материала» и «Время экспозиции» говорит о том, что время обработки явно преувеличено и основной съем материала происходит в первые часы галтования.
7. Для дополнительного анализа совместного влияния наиболее значимых факторов на отклики следует воспользоваться факторным анализом в плоскости двух групповых факторов.
Оценка взаимного влияния групп
факторов на отклики в плоскости
двух факторов
Для оценки взаимного влияния факторов был использован факторный анализ в плоскости влияния двух главных групповых факторов с использованием метода Главных компонент и вращением факторной системы координат по методу Варимакс (рис. 5).
Анализ факторного плана показывает, что «Съем материала» зависит только от факторов активных в группирующем факторе 2, т. е. зависит от совместного действия факторов «Временя экспозиции» (в существенно большей степени) и «Обороты в минуту». Для откликов шероховатости «ΔRa поперечная» и «ΔRa продольная» главным группирующим фактором будет фактор 1, который выявляет влияние «Вид абразива» (в значительной степени), «Обороты в минуту» и в существенно меньшей степени – «Время экспозиции». Эти выводы хорошо согласуются с результатами корреляционного анализа.
Для анализа влияния главных факторов и определения оптимальных параметров были применены робастные планы Тагучи [9]. Процедура количественной оценки робастности заключается в вычислении отношения С/Ш (сигнал-шум) и чувствительности при оценке робастности. Факторы шума ‒ это те факторы, которые находятся вне контроля процесса. Итак, цель усилий по улучшению качества заключается в установке наилучших значений управляющих факторов, которые включены в производственный процесс для того, чтобы максимизировать отношение С/Ш. Вывод из предыдущего состоит в том, что цель усилий по совершенствованию качества может рассматриваться как попытка максимизировать отношение сигнал/шум (С/Ш) соответствующего продукта [10].
Для факторов «Изменение шероховатости ΔRa» и «Съем материала» было использована целевая функция «чем больше, тем лучше» (larger the better – LTB). Этот тип соответствует желательным характеристикам, чьи значения должны быть как можно больше.
С/Ш . (1)
Результаты анализа для отклика «Съем материала» материала приведены в табл. 5 (ожидаемое соотношение С/Ш при оптимальных условиях) и рис. 6, на котором представлена динамика изменения соотношения С/Ш в зависимости от вариации управляющих факторов. На рис. 7 представлены зависимости соотношения С/Ш для отклика «ΔRa поперечная» от вариации управляющих факторов, а в табл. 6 ‒ ожидаемое соотношение С/Ш при оптимальных условиях для этого отклика.
Дисперсионный анализ уровней ETA (анализ дерева событий) (см. табл. 6) показывает, что наибольшее влияние на отклик «Съем материала» оказывают факторы «Время экспозиции» и «Обороты в минуту». Этот вывод хорошо согласуется с результатами факторного и корреляционного анализов. Фактор «Время экспозиции» оказывает доминирующее влияние на отклик «Съем материала» с относительно высоким уровнем достоверности по отношению к остальным факторам. Интенсивность подачи компаунда фактически не влияет на результат. Наибольший съем материала обеспечивается при 1650 об./мин в течение двух часов при незначительном влиянии остальных факторов (рис. 7).
Дисперсионный анализ уровней ETA (см. табл. 6) показывает, что наибольшее влияние на отклик «Изменение шероховатости ΔRa» оказывают факторы «Время экспозиции» и «Вид абразива». Фактор «Обороты в минуту» менее значим. Интенсивность подачи компаунда фактически не влияет на результат. Кроме того, степень достоверности оценки влияния этого фактора крайне низкая – вероятность ошибки составляет более 21 %
Наилучший результат по уменьшению шероховатости материала обеспечивается при 1950 об./мин в течение шести часов с применением абразивного наполнителя типа «конус» при незначимом влиянии фактора «Интенсивность подачи компаунда» (см. табл. 6 и рис. 7). После шести часов обработки шероховатость резко ухудшается. По-видимому, этот процесс связан с началом абразивной эрозии обрабатываемой поверхности.
Основываясь на проведенном анализе, учитывая оптимальные значения факторов и размерный эффект каждого из них, можно подобрать параметры для наиболее экономичного и эффективного чернового шлифования плоских поверхностей, которые показаны в табл. 7.
Выводы по результатам исследования
После подробного анализа результатов исследования можно сделать следующие выводы:
1. Вибрационное галтование является эффективным методом чернового шлифования для улучшения качества поверхностного слоя изделий, полученных технологией СЛС.
2. Во время обработки происходит равнозначное изменение продольной и поперечной шероховатости.
3. Наибольшее влияние на изменение шероховатости и съем материала оказывают два фактора: частота и время обработки.
4. Влияние угла выращивания изделий на обработку поверхности минимально и в последующих экспериментах данным фактором можно пренебречь.
5. Наиболее интенсивный съем материала происходит в первые два часа обработки.
6. Подача компаунда во время обработки оказывает положительное влияние на её эффективность, но процентная величина подачи не показала значимого эффекта.
7. Черновую обработку плоских поверхностей рекомендовано проводить в два этапа на следующих режимах:
1 этап: вид абразива – конус; частота обработки –1650 об./мин; время экспозиции – 2 ч; интенсивность подачи компаунда – 100 %;
2 этап: вид абразива – конус; частота обработки –1950 об./мин; время экспозиции – 4 ч; интенсивность подачи компаунда – 20 %.
1. State Standard R 57558-2017/ISO/ASTM 52900:2015. Additive manufacturing processes. Basic principles. Part 1. Terms and definitions (Reissue). Intro-duction. 2017-12-01. Moscow: Standartinform, 2020.
2. Chemodurov A. N. Application of additive tech-nologies in the production of mechanical engineering prod-ucts // Proceedings of the Tula State University. Technical sciences. 2016, no. 8-2. pp. 210-217. EDN WLXVCZ.
3. W. Piedra-Cascón, V. R. Krishnamurthy, W. Att, M. Revilla-León. 3D printing parameters, support-ing structures, slicing, and post-processing procedures of vat-polymerization additive manufacturing technologies: A narra-tive review // Journal of Dentistry. 2021. Vol. 107. P. 103630. DOIhttps://doi.org/10.1016/j.jdent.2021.103630. EDN ISRCTC.
4. Babichev A.P., Zelentsov L.K., Samodumsky Yu.M. Design and operation of vibrating machines for parts treatment. Rostov: Publishing House of the Rostov University, 1981, 160 p.
5. Yushchenko A.V., Fleck M. B. Investigation of the process of metal removal with abrasive barrelling // Bulletin of the Don State Technical University, 2013, vol. 13, no. 3-4(72-73), pp. 125-133. EDN RFUKBL.
6. Tarasovskii V. P. Surface Machining of Corun-dum-Ceramic Components by Free Abrasive // Russian Engineering Research. 2020. Vol. 40. No 9. P. 793-796. DOIhttps://doi.org/10.3103/S1068798X20090191. EDN NGRCFV.
7. Babichev A.P., Babichev I.A. Fundamentals of vi-bration technology. Rostov-na-Donu, 1999, 621 p.
8. Nazarova T. I. Microstructure and mechanical tensile properties of VT6 alloy obtained by selective laser melting / T. I. Nazarova, V. M. Imaev, R. M. Imaev, S. P. Pavlinich // Izvestiya vuzov. Physics. 2015, vol. 58, no. 6, pp. 25-29. EDN UBXJDD.
9. Rao S. Taguchi methods: evolution, concept and intersectoral application / S. Rao, P. Samand, A. Kadam-patta, R. Shennoy. Methods of quality management, 2016, no. 6, pp. 50-57. EDN VZYDFL.
10. Ramón V. León, Anne C. Shoemaker & Raghu N. Kacker (1987) Performance Measures Independent of Ad-justment: An Ex-planation and Extension of Taguchi's Signal-to-Noise Ratios, Technometrics, 29:3, 253-265, DOI:https://doi.org/10.1080/00401706.1987.10488231
