Аддитивные технологии в производстве корабельной энергетики

УДК 621.7.04-621.436

А. Ф. Дорохов, М. М. Абачараев

АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ПРОИЗВОДСТВЕ КОРАБЕЛЬНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

Аддитивные технологии (AF - Additive Manufacturing), или технологии послойного синтеза, в настоящее время являются одним из наиболее динамично развивающихся направлений «цифрового» производства. 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 корабельной и судовой энергетике дизельные двигатели относятся к самым сложным комплексам - как конструкционно, так и технологически. Элементы этих комплексов, образующие объём рабочего цилиндра (цилиндровые втулки, крышки цилиндров, поршни) работают в экстремальных условиях, не имеющих аналогов в других машинах. Цилиндровая втулка - характерный элемент двигателя, который, для обеспечения заявленных функциональных характеристик машины, должен иметь требуемые свойства по различным поверхностям. 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. 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 и толщиной слоя, которая не превышает необходимого и достаточного припуска для последующих операций механической, термической и завершающей механической обработки. Последним этапом в AF-технологии должно быть нанесение (также посредством лазерного или плазменного напыления) прира-боточного антифрикционного композитного полимер-графитметаллического слоя (например: фторопласт - графит - медь - олово).

Ключевые слова: аддитивные технологии, технологии 3Б-печати, цилиндровая втулка, центробежное литьё, чугуны, литейные стали, термоизоляторы, приработочные антифрикционные покрытия, крышки цилиндров.

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 3Б-принтере, чем из-

готавливать литейную или штамповую оснастку. Кроме того, технологии 3Б-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 ЛБ-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 ЛЕ-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 (8ЬЛ-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 ЛБ-технологии должно быть нанесение прира-боточного антифрикционного композитного слоя - полимер-графитметаллического (например: фторопласт - графит - медь - олово) - также посредством лазерного или плазменного напыления.

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.

5

\

Рис. 2. Схема центробежного литья заготовки втулки: 1 - изложница; 2 - отливка; 3 - опоры; 4 - механическая передача; 5 - приводной электродвигатель; 6 - желоб

Посредством ЛБ-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.

СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ

1. Баева Л. С. Современные технологии аддитивного изготовления объектов / Л. С. Баева, А. А. Ма-ринин // Вестн. Мурман. гос. техн. ун-та, 2014. Т. 17, № 1. С. 7-12.

2. Аддитивные технологии // иЯЬ: http://www.konstruktor.net/.../additivnye-te...hlennosti.html.

3. Марчук Г. И. Научные основы прогрессивной технологии / Г. И. Марчук, А. Ю. Ишлинский, П. И. Федосеев и др. М.: Машиностроение, 1982. 376 с.

4. Авдуевский В. С. Научные основы прогрессивной техники и технологии / В. С. Авдуевский, А. Ю. Ишлинский, И. Ф. Образцов и др. М.: Машиностроение, 1985. 376 с.

5. Зленко М. А. Аддитивные технологии в машиностроении: учеб. пособие / М. А. Зленко, А. А. Попович, И. Н. Мутылина. СПб.: СПбГУ, 2013. 221 с.

6. Абачараев М. М. Кавитация и защита металлов от кавитационных разрушений / М. М. Абачараев. СПб.: Изд-во СПбПУ, 2012. 198 с.

7. Биметаллические цилиндровые втулки // иЯЬ: http://www.ideasandmoney.rU/Ntrr/Details/117390.

8. Дорохов А. Ф. Снижение потерь мощности на преодоление сил трения в судовых высокооборотных дизелях / А. Ф. Дорохов, Н. К. Санаев, М. А. Масуев. Трение и смазка в машинах и механизмах. 2008. № 9. С. 18-21.

9. Дорохов А. Ф. Анализ технологичности различных конструкционных вариантов головки цилиндров малоразмерного дизеля / А. Ф. Дорохов, В. Н. Бочкарёв, К. Ф. Крыжановский // Двигатели внутреннего сгорания. Вып. 4, № 13. М.: ЦНИИТЭИТяжмаш,1983. С. 5-8.

10. Дорохов А. Ф. Применение биметаллических и многослойных конструкций в структуре поршневых ДВС / А. Ф. Дорохов, В. В. Шахов, П. А. Дорохов. Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано- до макроуровня. В 2 ч. Ч. 1. Материалы 13-й Междунар. науч.-практ. конф. (12-15.04.2011 г.). СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2011. С. 337-344.

Статья поступила в редакцию 19.03.2015

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Дорохов Александр Фёдорович - Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; д-р техн. наук, профессор, заслуженный деятель науки Республики Дагестан; профессор кафедры «Судостроение и энергетические комплексы морской техники»; dorokhovaf@rambler.ru.

Абачараев Муса Магомедович - Россия; 367003, Махачкала; Институт физики им. X. И. Амирханова Дагестанского научного центра Российской академии наук; д-р техн. наук, профессор, заслуженный деятель науки Российской Федерации и Республики Дагестан; зав. отделом физико-технических проблем машиноведения; gizakaspiЮ @таЦ.ш.

A. F. Dorokhov, M. M. Abacharaev

ADDITIVE TECHNOLOGIES IN PRODUCTION OF MARINE POWER ENGINEERING

Abstract. 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).

Key words: additive technology, 3D-printing technologies, cylinder sleeve, centrifugal casting, cast iron, cast steel, heat insulators, additive anti-friction coatings, cylinder сaps.

REFERENCES

1. Baeva L. S., Marinin A. A. Sovremennye tekhnologii additivnogo izgotovleniia ob"ektov [Modern technologies of additive production of the objects]. Vestnik Murmanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo univer-siteta, 2014, vol. 17, no. 1, pp. 7-12.

2. Additivnye tekhnologii [Additive technologies]. Available at: http://www.konstruktor.net/.../additivnye-te...hlennosti.html.

3. Marchuk G. I., Ishlinskii A. Iu., Fedoseev P. I. i dr. Nauchnye osnovy progressivnoi tekhnologii [Scientific foundations of progressive technology]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1982. 376 p.

4. Avduevskii V. S., Ishlinskii A. Iu., Obraztsov I. F. i dr. Nauchnye osnovy progressivnoi tekhniki i tekhnologii [Scientific foundations of progressive equipment and technology]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1985. 376 p.

5. Zlenko M. A., Popovich A. A., Mutylina I. N. Additivnye tekhnologii v mashinostroenii [Additive technologies in machine industry]. Saint-Petersburg, SPbGU, 2013. 221 p.

6. Abacharaev M. M. Kavitatsiia i zashchita metallov ot kavitatsionnykh razrushenii [Cavitation and anti-cavitation protection of the metals]. Saint-Petersburg, Izdatel'stvo SPbPU, 2012. 198 p.

7. Bimetallicheskie tsilindrovye vtulki [Bimetal cylinder sleeves]. Available at: http:// www.ideasandmoney.ru /Ntrr/Details/117390.

8. Dorokhov A. F., Sanaev N. K., Masuev M. A. Snizhenie poter' moshchnosti na preodolenie sil treniia v sudovykh vysokooborotnykh dizeliakh [Reduction of the loss of power for friction prevention in marine highspeed diesel engines]. Trenie i smazka v mashinakh i mekhanizmakh, 2008, no. 9, pp. 18-21.

9. Dorokhov A. F., Bochkarev V. N., Kryzhanovskii K. F. Analiz tekhnologichnosti razlichnykh kon-struktsionnykh variantov golovki tsilindrov malorazmernogo dizelia [Analysis of technology of differnet constructional variants of the cylinder heads of small-size diesels]. Dvigateli vnutrennego sgoraniia, iss. 4, no. 13. Moscow, TsNIITEITiazhmash, 1983, pp. 5-8.

10. Dorokhov A. F., Shakhov V. V., Dorokhov P. A. Primenenie bimetallicheskikh i mnogosloinykh kon-struktsii v strukture porshnevykh DVS [Application of bimetal and multi-layer constructions in the structure of piston ICE]. Tekhnologii remonta, vosstanovleniia i uprochneniia detalei mashin, mekhanizmov, oborudovaniia, instrumenta i tekhnologicheskoi osnastki ot nano- do makrourovnia. V 2 ch. Ch. 1. Materialy 13-i Mezhdunarod-noi nauchno-prakticheskoi konferentsii (12-15.04.2011 g.). Saint-Petersburg, Izd-vo Politekhnicheskogo univer-siteta, 2011, pp. 337-344.

Dorokhov Alexander Fedorovich - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Doctor of Technical Sciences, Professor; Honor Scientist of the Republic of Dagestan; Professor of the Department "Shipbuilding and Energy Complexes of Marine Engineering "; dorokhovaf@rambler.ru.

Abacharaev Musa Magomedovich - Russia, 367003, Makhachkala; Institute of Physics named after H. I. Amirkhanov of Dagestan Scientific Center of Russian Academy of Sciences; Doctor of Technical Sciences, Professor, Honor Scientist of the Russian Federation and the Republic of Dagestan; Head of the Department of Physical and Technical Problems of Engineering Science; gizakaspi10@mail.ru.

The article submitted to the editors 19.03.2015

INFORMATION ABOUT THE AUTHORS