ADDITIVE TECHNOLOGIES IN PRODUCTION OF MARINE POWER ENGINEERING
Authors:
1.
Institute of Physics named after H. I. Amirkhanov of Dagestan Scientific Center of Russian Academy of Sciences, Makhachkala
2.
Astrakhan State Technical University
(Department "Shipbuilding and energy complexes of marine equipment", Professor)
Russian Federation
Russian Federation
Type:
Article
Pages:
from 42
to 47
Status:
Published
Received:
20.05.2015
Accepted:
25.05.2015
Published:
25.05.2015
Subject area:
UDK 621.7.04-621.436
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
Language:
Russian
Keywords:
additive technology, 3D-printing technologies, cylinder sleeve, centrifugal casting, cast iron, cast steel, heat insulators, additive anti-friction coatings, cylinder сaps
Abstract (English):
Additive technology (AF-Additive Manufacturing), or layer-by-layer fusion technology, today is one of the most dynamically developing directions of digital production. The principle is that the product is created by using layer-by-layer adding material in a variety of ways, for example, directing or spraying metallic powder, liquid polymer, composite material. The concept was designed to complement traditional methods of production based on removing the primary material (e.g. milling, turning, planning and grinding). In the ship and marine engineering, the diesel engines are among the most structurally and technologically sophisticated complexes. The elements of these complexes that make up the volume of the working cylinder (cylinder sleeves, cylinder caps, pistons) work in extreme conditions, having no analogues in other machines. Cylinder sleeve is a typical element of the engine that, to ensure the declared functional performance of the machines must have the required properties on various surfaces. First, the mold is filled with steel of the selected kind. Since the beginning of the crystallization, the heat insulator of approximately 0.3-0.4 mm, such as zirconium dioxide ZrO2 is applied to the inner surface. The heat insulator can be applied with a laser (SLA-technology) or plasma spraying. The next step, when the temperature of solidification of steel is sufficient, the mold is filled with cast iron of thickness that is not higher than it is necessary and has sufficient allowance for subsequent operations of the mechanical, thermal and final machining. It should be noted that the last step in the AF-technology should be a coating (by means of laser or plasma spraying) of the additive anti-friction composite polymer layer (for example: fluorine plastic - graphite - copper - tin).
Additive technology (AF-Additive Manufacturing), or layer-by-layer fusion technology, today is one of the most dynamically developing directions of digital production. The principle is that the product is created by using layer-by-layer adding material in a variety of ways, for example, directing or spraying metallic powder, liquid polymer, composite material. The concept was designed to complement traditional methods of production based on removing the primary material (e.g. milling, turning, planning and grinding). In the ship and marine engineering, the diesel engines are among the most structurally and technologically sophisticated complexes. The elements of these complexes that make up the volume of the working cylinder (cylinder sleeves, cylinder caps, pistons) work in extreme conditions, having no analogues in other machines. Cylinder sleeve is a typical element of the engine that, to ensure the declared functional performance of the machines must have the required properties on various surfaces. First, the mold is filled with steel of the selected kind. Since the beginning of the crystallization, the heat insulator of approximately 0.3-0.4 mm, such as zirconium dioxide ZrO2 is applied to the inner surface. The heat insulator can be applied with a laser (SLA-technology) or plasma spraying. The next step, when the temperature of solidification of steel is sufficient, the mold is filled with cast iron of thickness that is not higher than it is necessary and has sufficient allowance for subsequent operations of the mechanical, thermal and final machining. It should be noted that the last step in the AF-technology should be a coating (by means of laser or plasma spraying) of the additive anti-friction composite polymer layer (for example: fluorine plastic - graphite - copper - tin).
Keywords:
additive technology, 3D-printing technologies, cylinder sleeve, centrifugal casting, cast iron, cast steel, heat insulators, additive anti-friction coatings, cylinder сaps
additive technology, 3D-printing technologies, cylinder sleeve, centrifugal casting, cast iron, cast steel, heat insulators, additive anti-friction coatings, cylinder сaps
Введение Аддитивные технологии - это технологическая концепция, активно разрабатываемая со второй половины ХХ в. Аддитивность (от латинского additivus - прибавляемый) - тип отношений между чем-либо целым и его частями, при котором свойства целого полностью определяются свойствами частей. Аддитивные технологии (AF - Additive Manufacturing), или технологии послойного синтеза, - одно из наиболее динамично развивающихся направлений «цифрового» производства [1, 2]. Принцип заключается в том, что изделие создают послойно, добавляя материал различными способами, например наплавляя или напыляя металлический порошок, жидкий полимер, композитный материал. Данная концепция призвана дополнить традиционные методы производства, основанные на удалении первичного материала (например: фрезерование, точение, строгание, шлифование). В Советском Союзе принципы аддитивной технологии получили развитие в 80-е гг. Однако в то время методами послойного синтеза предполагалось создавать целиком машины, например поршневые двигатели [3, 4]. Как оказалось, на технологическом уровне того времени, да и сейчас, и в ближайшей перспективе, реализация подобной концепции преждевременна, если вообще возможна и целесообразна. Классической и наиболее точной аддитивной технологией является SLA-технология (от англ. Stereolithography Apparatus), или стереолитография. В настоящее время интересным направлением в AF-технологиях является использование при «выращивании» трехмерных моделей различных металлопорошковых композиций на основе никеля и кобальта, алюминия и титана. Из металлических порошков «выращивают» заготовки пресс-форм и оригинальные детали сложной конфигурации, которые невозможно получить литьем или механообработкой. Серийному и экспериментальному производству часто становится экономически более выгодным «напечатать» небольшую партию деталей на 3D-принтере, чем изготавливать литейную или штамповую оснастку. Кроме того, технологии 3D-печати позволяют значительно сократить технологическую цепочку, на ранней стадии выявить все ошибки проекта и получить полноценный прототип изделия для проведения испытаний и исследовательских работ [5]. Это означает, что основным направлением в машиностроительных AF-технологиях является один из важнейших этапов производственного процесса - технологическая подготовка производства заготовок (изготовление литейной и штамповой оснастки, литейных моделей, инструмента). Но сейчас создание отдельных элементов машин, обладающих неоднородными функциональными свойствами в разных направлениях или по различным поверхностям, - важная и актуальная научно-техническая задача, наиболее эффективно разрешаемая именно методами аддитивных технологий. Применение AF-технологий В корабельной и судовой энергетике дизельные двигатели относятся к самым конструкционно и технологически сложным комплексам. Элементы этих комплексов, образующие объём рабочего цилиндра - цилиндровые втулки, крышки цилиндров, поршни, работают в экстремальных условиях, не имеющих аналогов в других машинах. Их работа зависит от ряда факторов: материалов; размеров деталей; температуры и давления рабочего тела; условий теплопередачи и теплообмена и ряда других. Такое разнообразие факторов, влияющих на характеристики работы двигателей, создает определённые трудности при выявлении тех из них, которые являются решающими, т. е. действие которых наиболее эффективно проявляется в тех или иных условиях. Цилиндровая втулка - характерный элемент двигателя, который, для обеспечения заявленных функциональных характеристик машины, должен иметь требуемые свойства по различным поверхностям. На рис. 1 приведена схема положения цилиндровой втулки, установленной в блок-картере двигателя. Рис. 1. Положение втулки цилиндров в блоке: 1 - опорный бутик; 2 - втулка цилиндров; 3 - блок цилиндров; 4 - кольцевые прокладки; 5 - тепловоспринимающая поверхность; 6 - теплоотдающая поверхность Требуемые физико-механические свойства поверхностей цилиндровой втулки таковы. А. Поверхность 5 является направляющей для движения поршня и подвергается интенсивному трению и изнашиванию, а также воспринимает высокое давление и температуру рабочего тела (газа) и, следовательно, должна иметь малый коэффициент трения, высокую износостойкость (а следовательно - твёрдость), прочность и жаропрочность. Б. Поверхность 6 интенсивно омывается теплоносителем системы охлаждения (вода или специальная жидкость) для обеспечения теплоотвода, что вызывает образование очагов коррозионного разрушения, и вибрирует вследствие цикличности рабочего процесса и перекладок поршня, вследствие чего возникают очаги кавитационного разрушения, в первую очередь в местах выхода на поверхность неметаллических включений (графита, при изготовлении втулки из чугуна) [6]. В. Тело цилиндровой втулки 2 обеспечивает теплопередачу от газа и сил трения в охлаждающую среду, и с целью снижения уровня тепловых потерь в охлаждение термическое сопротивление материала тела должно быть значительным. Наиболее распространёнными конструкционными материалами для цилиндровых втулок судовых высокооборотных и среднеоборотных дизелей являются серые чугуны марок СЧ21-СЧ32 (ГОСТ 4832-95) или чугуны специального химического состава, модифицированные никелем, хромом, вольфрамом. Перечисленные железоуглеродистые сплавы в основном отвечают требованиям пункта А, но требованиям пунктов Б и В они соответствуют мало. Пункту Б хорошо может отвечать сталь, преимущественно литейная, и такой принцип изготовления биметаллических цилиндровых втулок, разработанный специалистами Мурманского государственного технического университета вместе с украинскими коллегами, известен [7]. Но остаётся пункт В. Коэффициенты теплопроводности стали и чугуна близки ~50 Вт/(м · град), т. е. по условиям теплопередачи чугунно-стальная стенка цилиндровой втулки не имеет никаких преимуществ перед чугунной. Отсюда вывод - стенку цилиндровой втулки надо делать многослойной, наружный слой - сталь, промежуточный слой - термоизолятор, внутренний слой - модифицированный или антифрикционный чугун. В этом случае схема изготовления цилиндровой втулки методом центробежного литья будет иметь вид, приведенный на рис. 2. Сначала в изложницу заливается сталь выбранной марки. После начала кристаллизации на внутреннюю поверхность наносится термоизолятор слоем примерно 0,3-0,4 мм, например двуокись циркония ZrO2 (коэффициент теплопроводности 2-3 Вт/(м · град). Термоизолятор может быть нанесен посредством лазерного (SLA-технология) или плазменного напыления. На следующем этапе, при ещё достаточной температуре кристаллизации стали, в изложницу заливается чугун принятой марки, толщина слоя которого не превышает необходимого и достаточного припуска для последующих операций механической, термической и завершающей механической обработки. Следует отметить, что последним этапом в этой AF-технологии должно быть нанесение приработочного антифрикционного композитного слоя - полимер-графитметаллического (например: фторопласт - графит - медь - олово) - также посредством лазерного или плазменного напыления. Рис. 2. Схема центробежного литья заготовки втулки: 1 - изложница; 2 - отливка; 3 - опоры; 4 - механическая передача; 5 - приводной электродвигатель; 6 - желоб Данный слой необходим для правильной постановки поршневых колец в период приработки - 80-100 ч), после чего он истирается, но его частицы остаются в микровпадинах поверхностного слоя. Исследования, описанные в [8], показали эффективность такого подхода к обеспечению требуемых функциональных характеристик судовых дизелей. Посредством AF-технологий могут изготавливаться и другие элементы судовых дизелей, например крышки (головки) цилиндров, которые по условиям эксплуатации также должны иметь разные физико-механические свойства по поверхностям - прочность, жаропрочность, жёсткость по огневому днищу (чугун, ещё лучше сталь). Это необходимо в связи с возросшим уровнем форсирования судовых двигателей внутреннего сгорания по среднему эффективному давлению, когда, для обеспечения плотности газового стыка на разъёме блок-картер - крышка цилиндра, требуется отсутствие деформаций огневого днища. Корпус крышки не подвержен воздействию сил давления газов и высокой температуре рабочего тела, поэтому в качестве материала корпуса желательно иметь такой сплав, который может отливаться в металлические формы (с внутренней системой земляных стержней) с максимальным приближением размеров исходной заготовки к размерам готовой детали, а возможно, и с отсутствием необходимости механической обработки по некоторым поверхностям. При этом материал корпуса крышки должен быть хорошо обрабатываемым по всем остальным поверхностям (алюминиевые сплавы). Такие конструкционные варианты головок цилиндров были неоднократно успешно апробированы [9, 10]. Заключение Таким образом, анализ направлений современных аддитивных технологий позволяет сделать следующие выводы: - послойное изготовление сложных конструкционных элементов на этапе технологической подготовки производства (литейные модели, прототипы штамповой и литейной оснастки, модели сложных комбинированных инструментов) достаточно хорошо освоено, значительно сокращает время подготовки производства и сдерживается лишь дороговизной требуемого оборудования; - переход к послойному формированию готовых изделий, в силу необходимости придания им различных физико-механических или теплофизических свойств в разных направлениях или по разным поверхностям (в зависимости от функционального назначения изделия), является важной и актуальной научно-технической задачей, решение которой в полной мере будет способствовать повышению технического уровня и конкурентоспособности отечественной корабельной и судовой энергетики.
1. Baeva L. S. Sovremennye tehnologii additivnogo izgotovleniya ob'ektov / L. S. Baeva, A. A. Marinin // Vestn. Murman. gos. tehn. un-ta, 2014. T. 17, № 1. S. 7-12.
2. Additivnye tehnologii // URL: http://www.konstruktor.net/../additivnye-te..hlennosti.html.
3. Marchuk G. I. Nauchnye osnovy progressivnoy tehnologii / G. I. Marchuk, A. Yu. Ishlinskiy, P. I. Fedoseev i dr. M.: Mashinostroenie, 1982. 376 s.
4. Avduevskiy V. S. Nauchnye osnovy progressivnoy tehniki i tehnologii / V. S. Avduevskiy, A. Yu. Ishlinskiy, I. F. Obrazcov i dr. M.: Mashinostroenie, 1985. 376 s.
5. Zlenko M. A. Additivnye tehnologii v mashinostroenii: ucheb. posobie / M. A. Zlenko, A. A. Popovich, I. N. Mutylina. SPb.: SPbGU, 2013. 221 s.
6. Abacharaev M. M. Kavitaciya i zaschita metallov ot kavitacionnyh razrusheniy / M. M. Abacharaev. SPb.: Izd-vo SPbPU, 2012. 198 s.
7. Bimetallicheskie cilindrovye vtulki // URL: http://www.ideasandmoney.ru/Ntrr/Details/117390.
8. Dorohov A. F. Snizhenie poter' moschnosti na preodolenie sil treniya v sudovyh vysokooborotnyh dizelyah / A. F. Dorohov, N. K. Sanaev, M. A. Masuev. Trenie i smazka v mashinah i mehanizmah. 2008. № 9. S. 18-21.
9. Dorohov A. F. Analiz tehnologichnosti razlichnyh konstrukcionnyh variantov golovki cilindrov malorazmernogo dizelya / A. F. Dorohov, V. N. Bochkarev, K. F. Kryzhanovskiy // Dvigateli vnutrennego sgoraniya. Vyp. 4, № 13. M.: CNIITEITyazhmash,1983. S. 5-8.
10. Dorohov A. F. Primenenie bimetallicheskih i mnogosloynyh konstrukciy v strukture porshnevyh DVS / A. F. Dorohov, V. V. Shahov, P. A. Dorohov. Tehnologii remonta, vosstanovleniya i uprochneniya detaley mashin, mehanizmov, oborudovaniya, instrumenta i tehnologicheskoy osnastki ot nano- do makrourovnya. V 2 ch. Ch. 1. Materialy 13-y Mezhdunar. nauch.-prakt. konf. (12-15.04.2011 g.). SPb.: Izd-vo Politehn. un-ta, 2011. S. 337-344.
