Переработка конструкции распределительного коллектора под аддитивное производство

Что представляет себя распределительный коллектор?

Распределительный коллектор направляет поток среды в гидравлической системе и связывает трубопроводную арматуру, насосы и приводы. Именно он позволяет конструктору обеспечивать работу гидравлического контура и объединять все компоненты в одном компактном узле.

Традиционная технология изготовления распределительных коллекторов

Традиционно распределительные коллекторы изготавливают из заготовки из алюминиевого сплава или нержавеющей стали. Заготовку обрезают и обрабатывают до нужного размера, а затем формируют каналы сверлением. В связи со сложностью операций сверления зачастую возникает необходимость в специализированной оснастке. Для правильного направления потока по системе в каналы необходимо устанавливать заглушки.

Подобный производственный процесс по своей сути приводит к тому, что каналы содержат резкие повороты, которые могут привести к разделению потока и/или образованию застойных зон, которые значительно снижают эффективность.

Коллекторы из алюминиевого сплава в целом дешевле из-за меньшей стоимости и лучшей обрабатываемости материала. Однако они менее стойки к абразивному износу, поэтому присутствие в текучей среде твердых примесей приведет к истиранию поверхностей и ускоренному износу. По этой причине в некоторых случаях предпочтительнее использовать коллекторы из нержавеющей стали, но она плотнее и тверже алюминия, и изделие получается значительно тяжелее и дороже.

Преимущества технологии АП в проектировании и производстве гидравлических коллекторов

• Оптимизированные каналы для повышения эффективности компонентов.
• Возможность в полном объеме использовать вычислительную гидродинамику в процессе проектирования.
  Снижение требуемого количества станочной оснастки.
• Минимальная необходимость в съемных опорных конструкциях.
• Возможность значительного снижения массы.
• Отсутствие необходимости в отверстиях для демонтажа коллектора.
• Полная свобода конструктивных решений позволяет значительно уменьшить габариты узла.

Прямая выгода для заказчика

• Снижение массы на величину до 79%.
• Цельная конструкция, меньший риск брака.
• Малая продолжительность стадий проектирования и разработки.
• Совместимость с существующей конструкцией.
• Повышение пропускной способности на величину до 60%.

Переработка конструкции под АП: объем работ

Аддитивное производство значительно расширяет спектр возможных конструктивных решений, поэтому геометрию компонента можно адаптировать под АП со снижением массы и повышением функциональности без увеличения габаритных размеров. Заказчик предусмотрел в задании для Renishaw определенные конструктивные и функциональные требования, которые приходилось учитывать при переработке конструкции компонента.

Геометрия

• Определенные соединительные элементы.
• Внутренний диаметр каналов.
• Толщина стенки каналов.
• Точки крепления и стыки.
  

Функциональные требования

Основным требованием заказчика было снижение массы без ущерба для жесткости и функциональности. Конструкторы Renishaw также внесли в объем переработки конструкции под АП задачу повышения эффективности каналов в системе.

Первая стадия проектирования

Первым этапом был анализ детали для выявления тех каналов, которые непосредственно обеспечивают функциональность распределительного коллектора. Пути движения среды исходной конструкции с перекрестным сверлением были смоделированы в CAD-системе (системе автоматизированного проектирования). Все каналы, не нужные для протекания среды, были удалены; осталась только необходимая сеть каналов.

Затем каждый гидравлический контур был уменьшен и упрощен в программе SOLIDWORKS Flow Simulation. Эта работа стала частью подготовки к точному гидродинамическому анализу.

Анализ позволил выявить зоны разделения потока и зоны застоя. Следующим этапом стала оптимизация путей движения среды.

Затем была вычислена толщина стенки. В данном случае мы руководствовались требованием заказчика, но в качестве альтернативы на этом этапе можно было выполнить моделирование с расчетом напряжений методом конечных элементов (МКЭ) с учетом величин давления, полученных в результате гидродинамического анализа.

Наконец, было выполнено проектирование постоянных опорных конструкций; их добавили к геометрии CAD, и получился устойчивый и эффективный узел. В целом опорные конструкции добавляют в конечную геометрию на этапе последующей обработки конструкции компонента, чтобы привязать объект к плите основания и рассеять тепло. Однако если сделать опоры единым целым с компонентом, можно избежать потенциальной потери материала, связанной со съемными опорными конструкциями или креплениями.

На первой стадии проектирования удалось уменьшить объем на 52% по сравнению с исходным блочным коллектором и повысить пропускную способность на величину до 60%.