CC BY
103ЭКОНОМИКА И ПРОИЗВОДСТВО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ОТРАСЛИ
УДК 621.43 DOI: 10.32464/2618-8716-2019-2-3-166-184
Разработка технологии изготовления деталей/компонентов двигателя внутреннего сгорания с применением аддитивных методов производства
К.А. Колганов, И.В. Микрюков, А.С. Марков
ООО «Проектно-инжиниринговая компания» (ООО «ПИК»), 420061, г. Казань, ул. Николая Ершова, д. 29
Аннотация
Введение: рассмотрена стратегическая задача снижения зависимости российских компаний от высоко востребованного зарубежного оборудования в сфере энергомашиностроения, в частности такого оборудования, как двигатели внутреннего сгорания (ДВС), работающие в составе вспомогательных силовых установок. В статье представлено решение — разработка технологии изготовления деталей и узлов ДВС с применением аддитивных методов производства, позволяющая запустить в производство устройства, их узлы и детали, временно или постоянно не доступные для закупки за рубежом. Обосновано применение современного и прогрессивного метода производства литейных форм и отливок для деталей ДВС на основе аддитивных технологий. Разработан сплав чугуна с новым химическим составом, позволяющий получать детали из отливок сложной конфигурации без неметаллических включений, с более высокими значениями параметров прочности и износостойкости, что актуально для ДВС, работающих в крайне тяжелых условиях эксплуатации. Показаны основные этапы процесса изготовления литейных форм на 3D-принтере S-MAX компании ЕхОпе.
Методы: исследование проводится на основе анализа преимуществ, недостатков и особенностей существующих способов получения отливок с учетом сокращения сроков их изготовления и повышения качества готовой продукции.
Результаты и обсуждения: представлены результаты применения разработанной технологии — изготовленные отливки типа «блок цилиндров» и «головка блока цилиндров».
Заключение: разработанные технология изготовления деталей/узлов ДВС и сплав с новым химическим составом позволяют получить детали/узлы ДВС высокого качества наиболее экономичным и производительным способом.
Ключевые слова: вспомогательная силовая установка, цифровые и аддитивные методы производства, Binder Jetting/Ink-Jet-технологии, литейное производство, 3D-принтер S-MAX, технология изготовления деталей/ компонентов ДВС, изготовление литейных форм, этапы производства, сплав с новым химическим составом, отливки типа «блок цилиндров» и «головка блока цилиндров», снижение брака отливок, высокое качество отливок, сокращение сроков изготовления деталей, 3-цилиндровый дизельный двигатель, дизель-генераторные установки
Для цитирования: Колганов К.А., Микрюков И.В., Марков А.С. Разработка технологии изготовления деталей/ компонентов двигателя внутреннего сгорания с применением аддитивных методов производства // Силовое и энергетическое оборудование. Автономные системы. 2019. Т. 2. Вып. 3. С. 166-184. DOI: 10.32464/26188716-2019-2-3-166-184
Адрес для переписки: Марков Александр Сергеевич ООО «ПИК», 420061, г. Казань, ул. Николая Ершова, д. 29, [email protected]
Address for correspondence: Alexander Sergeevich Markov LLC "DEC", 29 Nikolaya Ershova st., Kazan, 420061, Russian Federation, [email protected]
© АПСЭО, 2019. Статья распространяется в открытом доступе на условиях лицензии Creative Commons 4.0 CC BY-NC (https://creativecommons.Org/licenses/by-nc/4.0/)
введение
Технологии в широком смысле этого слова всегда являлись двигателем прогресса в обществе и мире в целом. На сегодняшний день они определяют успех экономики и место в постоянно обновляющемся мире. Так, большинство сфер современной мировой экономики уже не мыслятся без развития высоких технологий [1]. Новые открытия и обновленные отрасли производства начинают активно изменять мир, используя робототехнику, телекоммуникации, нанотехнологии, электронику и мн. др.
В области энергетического машиностроения одну из ключевых ролей играют вспомогательные силовые установки или генераторные установки на базе двигателя внутреннего сгорания (ДВС), которые на сегодняшний день применяются как на предприятиях гражданской, так и военной сфер и имеют важное стратегическое значение. Так, например, в рамках освоения Арктической зоны Российской Федерации и необходимости развития ее инфраструктуры [2] одним из основных является вопрос энергообеспечения этих территорий. В условиях отсутствия централизованных электрических сетей в данном регионе распределенной генерации отдается большее предпочтение, в основе которой подразумевается использование гибридных энергосистем на основе дизель-генераторных установок и возобновляемых источников энергии [3, 4].
Высокие требования к одному из основных элементов таких установок — ДВС — как с точки зрения эксплуатационных свойств, так и с точки зрения обеспечения надежности работы в крайне тяжелых условиях эксплуатации поднимают вопрос о разработке современных технологий изготовления ДВС и их компонентов, а также подготовки самого производства. Выбор метода изготовления при этом здесь играет определяющую роль и влияет на технико-экономические показатели.
В настоящей статье описан наиболее экономичный, производительный и нетрудоемкий способ на базе цифровых и аддитивных методов производства, обеспечивающий высокое качество изготавливаемых деталей/узлов ДВС. В том числе приведены результаты отработки компанией ООО «ПИК» данных технологий в своем производственном процессе на примере изготовления отливок типа «блок цилиндров» и «головка блока цилиндров».
методы
Аддитивные технологии в литейном производстве
Существующие методы изготовления деталей/узлов ДВС включают большое число способов получения заготовок. Так, например, отливки можно получать в песчано-глинистых формах, в формах из холоднотвердеющих смесей, в кокилях, по выплавляемым моделям, под давлением и т.д., в том числе имеются определенные наработки в выборе того или иного способа литья [5].
Многообразие способов получения заготовок и их сочетаний приводит к тому, что выбор способа получения заготовки становится сложной технико-экономической задачей в силу необходимости обеспечения экономичности, высокого качества деталей, производительности и нетрудоемкого процесса. Существующие способы получения заготовок литьем могут обеспечить достаточно широкий диапазон параметров шероховатости поверхности и необходимой точности заготовок, а также их физических и механических свойств. Поэтому выбор того или иного способа должен производиться с оценкой всех его достоинств и недостатков [6].
Основные факторы, влияющие на выбор способа получения заготовки:
• характер производства;
• материалы и требования, предъявляемые к качеству деталей;
• размеры, масса и конфигурация детали;
• качество поверхности заготовок, обеспечение заданной точности;
• технологическая себестоимость производства.
В производстве литых заготовок литье в песчано-глинистые формы имеет широкую популярность, что может быть объяснено его технологичностью [6]. Но, несмотря на универсальность и относительную дешевизну, способ литья в песчано-глинистую форму связан с большим грузотрафиком вспомогательных материалов и повышенной трудоемкостью. При литье этим способом 15...25 % массы отливки принимает вид стружки при механической обработке, на что расходуется около 25 % вырабатываемой электрической
энергии. Переход к специальным способам литья дает возможность снизить припуски на механическую обработку и количество стружки до 5...7 %, а также уменьшить массу литниковой системы и резко снизить расходы формовочных материалов.
Литье по выплавляемым моделям в сравнении с другими способами имеет свои особенности: модель отливки не имеет разъема, ее контуры полностью повторяют форму детали; модель используется только для изготовления одной литейной формы и после уничтожается; поверхность формы получается гладкой и требуемой точности размеров; форма после прокаливания не содержит газотворных составляющих, что исключает образование газовых раковин в отливках; металл заливается в формы, доведенные до высокой температуры, что способствует созданию хороших условий для заполнения формы отливки и позволяет получать тонкостенные отливки массой в несколько граммов. Нельзя оставить без внимания и основные недостатки этого способа: достаточно высокая температура заливки и самих предварительно нагретых форм влияет на снижение механических свойств и способствует образованию значительного обезуглеро-женного слоя на поверхности отливок; технологический процесс является наиболее длительным и трудоемким среди всех способов литья [7].
Широкое применение в литейном производстве для опытных работ и малых серий получил метод селективного отверждения песчано-полимерной смеси на SD-принтерах [8]. Этот метод основан на послойном нанесении песка, предварительно смешанного с отвердителем, а также нанесении в необходимых местах связующего материала (смолы) с помощью многоструйной печатающей головки. Несвязанный песок затем удаляется пылесосом. Эта технология дает следующие преимущества:
• позволяет изготавливать литейные формы и стержни любой сложности;
• исключает изготовление оснастки для литейных форм, стержней и моделей;
• отсутствует необходимость в постобработке;
• сокращает длительность технологической подготовки производства;
• повышает точность отливок за счет возможности объединения стержней в единый стержневой блок;
• нет необходимости в нанесении литейных уклонов.
Песок, который остался несвязанным, может быть добавлен к «чистому» в качестве вторичного, что позволяет уменьшить его расход.
По совокупности оптимальных характеристик с точки зрения исключения применения технологической оснастки и сокращения сроков подготовки изготовления деталей прототипа ДВС, а также повышения их качества был выбран аддитивный метод производства, основанный на Binder Jetting/Ink-Jet-технологии [9], при котором в зону построения впрыскивают связующий реагент (используется в принтерах компаний ExOne, ZCorporation, VoxelJet, в частности, для получения литейных моделей и песчаных синтез-форм). Промышленный SD-принтер S-Max компании ExOne, на котором велась подготовка литейных форм, представлен на рис. 1.
Для серийных изделий, таких как «блок цилиндров», «головка блока цилиндров», «картер» и др., этот способ наиболее рационален, так как применяется технология прямого изготовления литейной формы из материалов, традиционно используемых в литейном производстве.
Выбор сплава для отливок типа «блок цилиндров», «головка блока цилиндров»
Значение технологических свойств литейных сплавов очень велико и должно быть учтено при выборе материала детали при изготовлении ее из отливки.
Чугун является наиболее часто применяемым материалом для изготовления фасонных отливок и имеет хорошие технологические свойства и относительную дешевизну по сравнению с другими литейными сплавами.
Серый чугун — наиболее дешевый литейный сплав с высокими технологическими характеристиками. Имеет относительно низкую температуру плавления со сравнительно высокими механическими и литейными свойствами. Размер усадки колеблется от 0,9 до 1,3 %, что является важным фактором, обусловливающим получение качественных отливок, без появления различных усадочных дефектов. Малочувствительность серого чугуна к надрезам, выточкам и другим концентраторам напряжений, а также его способность рассеивать вибрационные колебания при переменных нагрузках, дает возможность использовать его в качестве станин металлорежущих станков, деталей дизелей, компрессоров и других нагруженных деталей [10].
У большинства ДВС детали «блок цилиндров» и «головка блоков цилиндров» отливают из серого чугуна марок СЧ21-СЧ25, который затем подвергают механической обработке. Чугун, в частности, легированный, отличается высокой прочностью и имеет низкий коэффициент трения между материалами, из которых изготовлены поршневые кольца и поршни [11].
В настоящее время существует достаточно много публикаций на тему повышения прочности и износостойкости серого чугуна, одной из таких является работа научного коллектива из Нигерии, изучающего влияние добавок кремния на износостойкость серого чугуна в условиях сухого трения (варьировались параметры скорости, нагрузки и времени). Эти исследования показали, что переход износа произошел при добавлении кремния 3,2 %, что сказалось на резком снижении твердости образцов [12].
Для изготовления деталей перспективного 3-цилиндрового дизельного двигателя был разработан специальный химический состав для серого чугуна с целью получения отливок «блок цилиндров» и «головка блоков цилиндров» с высокими эксплуатационными характеристиками. В отличие от [12] содержание кремния в чугуне выбрано в диапазоне 1,9...2,4 мас. %. Принятый химический состав позволяет снизить склонности к образованию усадочных дефектов, получить качественные отливки без неметаллических включений, улучшить чистоту поверхности отливок после механической обработки за счет малого размера графитовых включений, обеспечивающих меньшее выкрашивание графита. В табл. 1 приведены механические свойства и микроструктура исследованных чугунов.
табл. 1. Механические свойства и микроструктура исследованных чугунов
Механические свойства Микро структура
Чугун с, кг/мм2 HB Перлит, % Цементит, % Количество графитовых включений на 1 мм2 Размер графитовых включений, ПГд, мкм
Разработанные
1 26 180 100 Нет 90-150 45...90
2 26 195 100 Нет 90-150 45...90
3 28 188 100 Нет 90-150 45...90
4 27 210 100 Нет 90-150 45...90
5 28 195 100 Нет 90-150 45...90
6 26 180 100 Нет 90-150 45...90
7 28 215 100 Нет 90-150 45...90
8 28 220 100 Нет 90-150 45...90
9 27 195 100 Нет 90-150 45...90
Известные [13]
10 26 220 100 Нет 90-150 90...120
11 27 233 100 Нет 90-150 90...120
12 28 240 100 Нет 90-150 90...120
Примечание. с — предел прочности; HB — твердость по Бринеллю.
Разработанный состав чугуна в сравнении с известными имеет следующие преимущества:
• обладает высокой жидкотекучестью за счет наличия в составе фосфора в определенном количестве, что позволяет получать качественные отливки сложной конфигурации без неметаллических включений, например отливки типа «блок цилиндров» со стенками от 3 мм;
• при сохранении удовлетворительной обрабатываемости резанием обладает высокой прочностью и износостойкостью за счет наличия в составе сурьмы в определенном количестве, что способствует образованию мелкодисперсного перлита, тем самым упрочняя металлическую основу;
• за счет фосфора и сурьмы позволяет снизить брак отливок по усадочным дефектам и неметаллическим включениям при сохранении удовлетворительной обрабатываемости резанием, а также повышает эксплуатационные характеристики, в частности улучшает антифрикционные свойства пары «поршень -блок цилиндров».
Этапы изготовления прототипов литейных форм и отливок
Последовательность операций при изготовлении литейных форм и отливок выглядит следующим образом:
• создание CAD-модели изделия, назначение припуска на обрабатываемые поверхности согласно рекомендациям технолога;
• проектирование литниковой системы, которая сочленяется с основной CAD-моделью;
• моделирование литейного процесса — масштабирование модели в соответствии с коэффициентом усадки литейного материала и получение технологической CAD-модели;
• проектирование литейных форм — создание CAD-модели стержней и внешних форм. В завершение процесса проектирования создаются stl-файлы литейной формы, расчлененной на фрагменты в соответствии с размерами рабочей камеры 3D-принтера;
• 3D-печать литейных форм;
• процесс заливки сплава;
• очистка и обработка отливок (дробеметная, гидропескоструйная очистка, термообработка);
• рентген-контроль отливок;
• анализ отклонений от 3D-модели с помощью 3D-сканера и томографа;
• анализ дефектов с помощью томографа.
На рис. 2 и 3 показан процесс печати: размещение элементов литейных форм в бункере, процесс печати, разгрузка бункера (удаление несвязанного песка и извлечение форм).
Рис. 2. Размещение элементов литейных форм в бункере
b
Рис. 3. Печать форм для отливок деталей ДВС: а — процесс нанесения слоев; Ь — разгрузка бункера: удаление несвязанного песка и извлечение форм
Что касается самого процесса изготовления отливок в формах S-MAX, то он не отличается от традиционной технологии и практически идентичен хорошо распространенному процессу литья в формы из холоднотвердеющей смеси:
• тщательное удаление несвязанного песка;
• нанесение огнеупорной краски;
• сборка формы, подготовка к заливке;
• удаление продуктов горения;
• установка холодильников (металлические вставки, которые устанавливают в литейную форму для ускоренного охлаждения массивных частей отливки);
• заливка формы;
• отжиг формы (удаление песка из внутренних полостей).
Некоторые из этих процессов представлены на рис. 4 и 5.
Рис. 4. Подготовка форм: а — тщательное удаление несвязанного песка; Ь — нанесение огнеупорной краски
Рис. 5. Подготовка к заливке форм: а — сборка формы; Ь — заливка формы
Вместе с тем есть небольшие особенности, которые учитываются при проектировании литейных форм. Так, например, формы изготавливаются из песка с фракцией 0,1 мм, в связи с чем газопроницаемость форм достаточно низкая. При проектировании формы и технологии отливка преимущественно располагается так, чтобы компенсировать этот недостаток, вывести отходящие газы через прибыли (верхняя часть отливки) или систему вентиляционных каналов, которые можно делать сложными и эффективными одновременно.
результаты и обсуждения
В настоящее время бизнес-сообщество начинает понимать потенциал аддитивных технологий для создания экономически эффективных и экологически чистых методов производства. Почти каждая отрасль промышленности использует возможности этих технологий, воплощая инновации в реальность [14].
Применение цифровых и аддитивных методов производства позволило разработать современную технологию изготовления литейных форм и отливок для деталей/узлов ДВС.
Так, внедрение компьютерного моделирования процессов заливки позволяет переходить к отливкам все более и более сложной формы, используя достаточно большую номенклатуру сплавов, а также сократить затраты на отладку технологии, заменяя натурный эксперимент вычислительным.
На рис. 6 показаны модели отливок с литниковой системой и проекты литейных форм для 3D-принтера S-MAX.
ь
Рис. 6. Модель отливки с литниковой системой и литейной формы для 8-МЛХ: а — головка блока цилиндров; Ь — блок цилиндров
Аддитивные технологии позволяют значительно снизить временной производственный цикл при изготовлении отливок для деталей ДВС, а также обеспечить их высокую точность.
Разработанный сплав чугуна с новым химическим составом, как следует из результатов испытаний, при стабильном количестве графитовых включений до 90-150 на 1 мм2 равномерно распределенной прямолинейной формы позволяет снизить дисперсность перлита, уменьшив размер графитовых включений с 90...120 мкм до 45...90 мкм, и получить детали из отливок сложной конфигурации без неметаллических включений, с более высокими значениями параметров прочности и износостойкости, что актуально для ДВС, работающих в крайне тяжелых условиях эксплуатации.
Описанные выше исследования доказывают технико-экономическую обоснованность разработки технологии изготовления деталей/компонентов ДВС с применением аддитивных методов производства.
На рис. 7 показаны полученные литейные формы и отливки для деталей ДВС по разработанной технологии ООО «ПИК».
b
Рис. 7. Готовые формы и отливки для деталей 3-цилиндрового дизельного двигателя по разработанной технологии: a — головка блока цилиндров; b — блок цилиндров
заключение
В настоящее время на отечественном рынке в сегменте исследуемого оборудования (вспомогательные силовые установки/генераторные установки на базе ДВС) наблюдается практически неконкурентное доминирование зарубежных производителей, причем в отдельных сегментах доля импорта превышает 80 %, что, принимая во внимание двойное (гражданское и оборонное) назначение данной продукции, требует необходимости безотлагательного приложения усилий в создании отечественного оборудования.
Результаты, полученные ООО «ПИК», могут обеспечить снижение зависимости российских компаний от высоко востребованного зарубежного оборудования. Отработанные технологии позволяют запустить в производство устройства, их узлы и детали, временно или постоянно недоступные для закупки за рубежом, что повышает ресурсную и оборонную безопасность страны.
литература
1. Мезенцева О.Е. Развитие высокотехнологичного производства в мире и России // Фундаментальные исследования. 2015. № 7-1. С. 176-181. URL: http://www.fundamental-research.ra/ra/article/view?id=38747
2. Кондратов Н.А. Особенности развития транспортной инфраструктуры в Арктической зоне России // Географический вестник. 2017. № 4 (43). С. 68-80. DOI: 10.17072/2079-7877-2017-4-68-80
3. КиселевЕ.М., ПутиловаН.Н. Распределенная генерация в России // Наука. Технологии. Инновации : сб. науч. тр. X Всеросс. науч. конф. мол. уч. (г. Новосибирск, 5-9 декабря 2016 г.). в 9 ч. Новосибирск : НГТУ, 2016. Ч. 4. С. 362-365.
4. Васьков А.Г., Коваленко Е.А., Тягунов М.Г., Шарапов С.А. Использование гибридных энергокомплексов на основе возобновляемых источников энергии в распределенной энергетике // Энергетик. 2014. № 2. С. 25-27.
5. Горюхин А.С., Гайнцева Е.С., Шайхутдинова И.И. Выбор способа литья с использованием нечетких алгоритмов // Вестник УГАТУ 2018. Т. 22. № 1 (79). С. 3-9. URL: http://journal.ugatu.ac.ru/index.php/Vestnik/article/view/234
6. Круглое Е.П., Галимов Э.Р., Аблясова А.Г., Галимова Н.Я., Юрасов С.Ю., Гание М.М. и др. Выбор и способы заготовок для деталей машиностроения. Казань, 2015. 433 с. URL: https://kpfu.ru/portal/docs/F646083646/Vybor. sposobov.izgotovleniya.zagotovok.dlya.detalei_.mashinostroeniya.pdf
7. Афонькин М.Г., Звягин В.Б. Производство заготовок в машиностроении. 2-е изд., доп. и перераб. СПб. : Политехника, 2007. 379 с.
8. Зленко М.А., Забеднов П.В. Аддитивные технологии в опытном литейном производстве. Ч. 1. Литье металлов и пластмасс с использованием синтез-моделей и синтез-форм // Металлургия машиностроения. 2013. № 2. С. 45-54.
9. Баева Л.С., Маринин А.А. Современные технологии аддитивного изготовления объектов // Вестник МГТУ 2014. Т. 17. № 1. С. 7-12. URL: http://vestnik.mstu.edu.ru/v17_1_n56/07_12_baeva.pdf
10. Технологические свойства основных литейных сплавов // Электронная библиотека. URL: http://libraryno. ru/2-3-tehnologicheskie-svoystva-osnovnyh-liteynyh-splavov-proekt_and_proizv_zagot/
11. Кондратьев В.В., Иванов Н.А., Балановский А.Е., Иванчик Н.Н., Карлина А.И. Улучшение свойств серого чугуна кремнийдиоксид и углеродными наноструктурами // Журнал Сибирского федерального университета. Серия: техника и технологии. 2016. Т. 9. № 5. С. 671-685. DOI: 10.17516/1999-494X-2016-9-5-671-685
12. Agunsoye J.O., Isaac T.S., Awe O.I., Onwuegbuzie A.T. Effect of silicon additions on the wear properties of grey cast iron // Journal of Minerals and Materials Characterization and Engineering. 2013. Vol. 1. No. 2. Pp. 61-67. DOI: 10.4236/ jmmce.2013.12012
13. Пат. № 2365660 РФ, МПК C22C 37/08. Чугун / В.М. Микрюков; патентообл. ОАО «КАМАЗ-Металлургия». № 2007144960/02, заяв. 03.12.2007, опубл. 27.08.2009. Бюл. № 24.
14. Attaran M. Additive manufacturing: the most promising technology to alter the supply chain and logistics // Journal of Service Science and Management. 2017. Vol. 10. No. 03. Pp. 189-206. DOI: 10.4236/jssm.2017.103017
Поступила в редакцию 22 июля 2019 г. Принята в доработанном виде 1 августа 2019 г. Одобрена для публикации 2 сентября 2019 г.
Об авторах: Колганов Кирилл Андреевич — генеральный директор, ООО «Проектно-инжиниринговая компания» (ООО «ПИК»), 420061, г. Казань, ул. Николая Ершова, д. 29, [email protected];
Микрюков Илья Вячеславович — технический директор, ООО «Проектно-инжиниринговая компания» (ООО «ПИК»), 420061, г. Казань, ул. Николая Ершова, д. 29, [email protected];
Марков Александр Сергеевич — руководитель проекта, ООО «Проектно-инжиниринговая компания» (ООО «ПИК»), 420061, г. Казань, ул. Николая Ершова, д. 29, [email protected].
Development of a technology for the manufacturing of parts/components of an internal combustion engine involving additive manufacturing methods
K.Â. Kolganov, I.V. Mikryukov, Â.S. Markov
Design and Engineering Company LLC (DEC LLC), 29 Nikolaya Ershova st., Kazan, 420061, Russian Federation
Abstract
Introduction: the article considers a strategic objective consisting in reduction of the Russian companies' dependence on highly sought-after imported power engineering equipment, including internal combustion engines used as part of auxiliary power units. In the article, the co-authors propose to integrate additive manufacturing methods into technologies used to produce internal combustion engines, their parts and components, which are temporarily or permanently impossible to import. The co-authors have proven the feasibility of advanced additive technologies in respect of casting molds and castings designated for internal combustion engines. An alloy of cast iron featuring an advanced chemical
© PGSMA, 2019. This is an open access article distributed under the terms
of the Creative Commons License 4.0 CC BY-NC (https://creativecommons.Org/licenses/by-nc/4.0/)
composition was developed. It enables the use of complex shape castings free from any non-metallic inclusions to produce engine parts and components; these castings demonstrate higher values of strength and wear resistance, they are a must for an internal combustion engine operating in severe conditions. The co-authors demonstrate the casting mold production process using ExOne's S-MAX 3D printer.
Methods: the study is based on the analysis of strengths, weaknesses and peculiarities of established casting methods, with account for faster production cycles and a higher quality of final products.
Results and discussion: in the article, the co-authors analyze the proposed technology used to manufacture castings for "a block of cylinders" and "a head of the block of cylinders".
Conclusion: the newly developed technology for production of parts/assemblies of an internal combustion engine, including an advanced alloy having a new chemical composition, enables manufacturers to make high quality parts/ assemblies for an internal combustion engine in the most economical and productive way.
Keywords: auxiliary power unit, digital and additive manufacturing methods, Binder Jetting/Ink-Jet technologies, foundry production, S-MAX 3D printer, a manufacturing technology applied to production of parts/components of internal combustion engines, casting mold production, production stages, an alloy having a new chemical composition, castings of "a block of cylinders " and "a head of the block of cylinders", reduction of the number of defective castings, high quality castings, manufacturing time reduction, 3 cylinder diesel engine, diesel generators
For citation: Kolganov K.A., Mikryukov I.V., Markov A.S. Development of a technology for the manufacturing of parts/components of an internal combustion engine involving additive manufacturing methods. Power and Autonomous Equipment. 2019; 2:3:166-184. DOI: 10.32464/2618-8716-2019-2-3-166-184 (rus.).
introduction
Broadly speaking, technologies have always served as engines of progress both in the society and in the world. Presently, they pre-determine the success of economies and positions in the ever changing world. Indeed, the majority of contemporary spheres of the international economy are inseparable from high technologies [1]. New inventions and modernized production industries commence changing the world by means of robotics, telecommunications, nano-scale technologies, electronics, etc.
Auxiliary power units, or power generators, having internal combustion engines, are applied both by civil and military enterprises. These units play a key role in power engineering and have an important strategic value. Indeed, the problem of power supply needs to be resolved as a top priority in an effort to subdue the Arctic zone of the Russian Federation and to develop its infrastructure [2]. In an environment free from any centralized power grids distributed generation is preferable. It contemplates the use of hybrid eco-friendly systems composed of diesel generators and renewable energy sources [3, 4].
High performance and reliability requirements, applicable to internal combustion engines as the key elements of diesel generators operating in severe natural environments, bring up the issue of advanced technologies for production of internal combustion engines and their components, as well as the preparation for their production. The choice of a production methodology plays a key role and influences feasibility values.
In this article, the co-authors describe the most efficient, productive and labour saving methodology that employs digital and additive production techniques ensuring a high quality of details and assemblies of internal combustion engines. Besides, the co-authors provide the technology validation results, accumulated by DEC LLC in the course of the production process, namely, in respect of the castings made for "a block of cylinders" and "a head of the block of cylinders".
methods
Additive technologies in foundry
Well-established methods, applied in production of parts/assemblies, comprise an extensive number of billet manufacturing techniques. Indeed, castings can be manufactured inside casting molds made of sand and clay or cold-hardening mixtures, in block molds, investment molds, and under pressure. There are several methodologies underlying the choice of casting methods [5].
The multiplicity of billet manufacturing techniques and their combinations convert the choice of a technique into a challenging technical and engineering task due to the need to assure cost effectiveness, a high quality of products, production process efficiency and low labour intensity. Well-established billet manufacturing techniques, that employ casting methods, can provide for a wide range of surface roughness values and pre-set billet accuracy, as well as physical and mechanic properties. Therefore, the choice of a specific technique must be driven by the assessment of every strength and weakness [6].
Here we enlist the recommended principal factors that influence the choice of a billet manufacturing technique:
• type of a production facility;
• material and product quality specifications;
• dimensions, weight and shape of products;
• quality of billet surfaces, pre-set quality assurance;
• production cost.
As for the production of castings, the use of casting molds made of sand and clay is highly popular due to their adaptability. [6]. However, despite their adaptability and relative inexpensiveness, casting molds, made of clay and sand, contemplate extensive consumption of supplementary materials and excessive labour intensity. When his technique is employed, 15-25 % of the casting body is converted into chips in the course of mechanic processing, and this process consumes about 25 % of any electric energy generated. Employment of specialized casting methods may reduce allowances and chipping to 5-7 %; it may also reduce the mass of the feeding system and drastically cut molding material consumption.
Investment casting has several specific features, if compared with other techniques: an investment mold has no opening; its contours duplicate the shape of a product; an investment mold is only used for the manufacture of one casting mold and it is destroyed after its use; the surface of this mold is smooth and its dimensions are accurate; the mold is free from any gas-making components, therefore, castings have no core blows; metal is poured into molds heated to high temperatures to create the appropriate conditions for the mold to be filled and to obtain thin walled castings weighing several grams. The main drawbacks of this technique are also worth mentioning: a high temperature of the mold and the casting deteriorates mechanic properties and facilitates formation of a substantial carbon-free layer on the mold surface; the production process is the most time consuming and labour intensive one among all casting techniques [7].
The method of selective hardening of sand and polymer mixtures, that contemplates the use of 3D printers, is widely used in foundry to implement experimental and limited capacity projects [8]. This method comprises the layer-by-layer application of sand, pre-mixed with a hardening agent, as well as the application of a binder (resin) by a multiple printing head. Any loose sand is vacuum cleaned later. This technology demonstrates the following strengths:
• it is used to manufacture casting molds and rods of any complexity;
• it doesn't need any foundry patterns for casting molds, rods or investment molds;
• no post-treatment is needed;
• it accelerates the pre-production process;
• it improves casting accuracy by getting rods together in a single bundle of rods;
• no need for draft allowances.
Any loose sand can be added to "clean" sand to reduce its consumption.
Optimal characteristics, including lack of foundry patterns, faster pre-manufacturing and higher product quality, have made us choose the so-called additive production method, based on the Binder Jetting/Ink-Jet technology [9], whereby a binding agent is injected into the manufacturing area (it is implemented in printers made by Exxon, Corporation, VoxelJet, used to make casting molds and sandy molds). The photo of S-Max produced by Exxon — a 3D printer used to make casting molds — is provided in Figure 1.
This technique is particularly effective if used to manufacture production line items, including "cylinder blocks", "heads of cylinder blocks", and "crankcases", as here a direct mold casting technology, involving traditional foundry materials, is applied.
Fig. 1. S-MAX 3D printer produced by ExOne and designated for the manufacturing of molds of any complexity
Choosing alloys for the manufacturing of "cylinder blocks" and "heads of cylinder blocks"
Properties of casting alloys are extremely important, and they must be taken into consideration in the course of choosing the casting material.
Cast iron is the material which is most frequently used to make shaped castings: it has good processing properties; it's relatively inexpensive if compared with other casting alloys.
Grey cast iron is the cheapest casting alloy that has good processing properties. It has a relatively low melting temperature and comparatively good mechanic and casting properties. Its shrinkage varies from 0.9 to 1.3 % which is an important factor that contributes to production of high quality castings, free from any shrinkage cavities. Its tolerance to cuts, grooves and other concentrators of stresses, coupled with its ability to dissipate vibrations caused by variable stresses makes it usable as the framework of a metal cutter, as a component of diesel engines, compressors and other elements under stress [10].
The majority of internal combustion engines have "cylinder blocks" and "heads of cylinder blocks" cast from grey cast iron 220 (according to the UK BS1452 standard) and cast iron 250 (according to ISO 185 standard), and later exposed to resurfacing. In particular, alloyed cast iron is very strong and has a low friction ratio, when in contact with materials used to make piston rings and pistons [11].
Presently, quite a lot of publications cover the improvement of strength and wear resistance of grey cast iron. One of them was written by a team of researchers from Nigeria; they had studied the influence of silicon additives on the wear resistance of grey cast iron exposed to dry friction (velocity, stress intensity and exposure time values varied). The research findings have proven that conversion of the wear process occurred when 3.2% silicon was added, causing the sample strength to plummet [12].
A customized chemical composition of grey cast iron was developed to manufacture components of an advanced three-cylinder diesel engine. It was designated for the manufacturing of "a cylinder block" and "cylinder block heads" to improve their performance characteristics. Unlike [12], the content of silicon in cast iron varied within the range of 1.9-2.4 %. This chemical composition reduces potential formation of shrinkage cavities, provides for the production of high-quality castings free from any nonmetallic inclusions, improves purity of casting surfaces after their mechanical treatment due to the small size of graphite inclusions. Table 1 shows mechanical properties and microstructure of cast irons under research.
Table 1. Mechanical properties and microstructure of cast irons under research
Mechanical properties Microstructure
Cast iron Ultimate tensile strength g, kg/mm2 HB Perlite, % Iron carbide, % Number of graphite inclusions per mm2 Size of graphite inclusions: length of flaked graphite inclusions, in mym
Newly developed compositions of cast iron
1 26 180 100 None 90-150 45-90
2 26 195 100 None 90-150 45-90
3 28 188 100 None 90-150 45-90
4 27 210 100 None 90-150 45-90
5 28 195 100 None 90-150 45-90
6 26 180 100 None 90-150 45-90
7 28 215 100 None 90-150 45-90
8 28 220 100 None 90-150 45-90
9 27 195 100 None 90-150 45-90
Established compositions of cast iron [13]
10 26 220 100 None 90-150 90-120
11 27 233 100 None 90-150 90-120
12 28 240 100 None 90-150 90-120
Note. c — ultimate tensile strength; HB — Brinell hardness.
A new composition of cast iron has the following advantages over traditional compositions:
• igh flowability due to the presence of phosphorus, which enables production of high-quality castings, having complex shapes free from any nonmetallic inclusions, for example, "cylinder block" castings having walls that are 3+ mm thin;
• Cast iron remains susceptible to cutting, although its strength and resistance to wear are high due to the presence of some stibnous in its composition; stibnous facilitates formation of fine perlite, which strengthens cast iron;
• Phosphorus and stibnous reduce the number of castings which are defective due to shrinkage and nonmetal-lic inclusions; castings maintain satisfactory susceptibility to cutting, and have higher performance characteristics, namely, antifriction properties demonstrated by pistons and cylinder blocks.
Prototypes of castings and casting molds: production stages
The following sequence of operations is performed to make casting molds and castings:
• design and development of a product's CAD model, setting allowance values according to the recommendations made by production engineers;
• design of a feeding system connected to the main CAD model;
• simulation of the casting process, including model scaling with account for the shrinkage ratio of the cast material and generation of a process CAD model;
• design of casting molds, including development of a CAD model for rods and outward shapes. The design process is finished by development of .stl files of a casting mold, exposed to fragmentation to fit dimensions of the process chamber of a 3D printer;
• 3D printing of casting molds;
• alloy casting process;
• cleaning and treatment of castings (shot blasting, sand-water cleaning, heat treatment);
• x-ray control;
• using a 3D scanner and tomograph to analyze deviations from the 3D model;
• using a tomograph to analyze defects.
Figures 2 and 3 demonstrate the printing process, including the arrangement of elements of casting molds in a bunker, the printing process, and bunker unloading (extraction of loose sand and casting molds).
Fig. 2. Arrangement of parts of casting molds in a bunker
b
Fig. 3. The printing of casting molds for engine parts: a — coating process; b — bunker unloading: extraction of loose sand and molds
As for the casting production process inside S-MAX molds, it is not different from the conventional technology and it is almost identical to the widely spread casting process, involving cold-setting sand:
• thorough removal of loose sand;
• application of refractory paint;
• mold assembly and preparation for filling;
• removal of combustion products;
• installation of cooling plates (metal plates installed into casting molds to accelerate the cooling of solid casting components);
• mold filling;
• mold curing (removal of sand from internal cavities). Some of these processes are demonstrated in Figures 4 and 5.
Fig. 4. Preparation of casting molds: a — thorough removal of loose sand; b — application of refractory paint
Fig. 5. Preparation for filling: a — mold assembly; b — mold filling
Nonetheless, one should bear in mind some minor peculiarities at the stage of the casting mold design. For example, molds are made of sand, having the grain size of 0.1 mm, therefore, gas permeability of molds is quite low. In the course of designing the mold and developing the technology, the mold positioning should compensate for this drawback, so that waste gases could be evacuated through the top of a mold or through a system of ventilation channels, which can be complex and efficient at the same time.
results and discussion
Presently, the business community is realizing the potential of additive technologies for development of economically effective and ecological production techniques. Almost every industry takes advantage of these technologies by converting innovations into reality [14].
Application of digital and additive methods has contributed to development of an advanced casting mold/ casting production technology designated for the manufacturing of components/assemblies of internal combustion engines.
Indeed, computer modeling of casting processes facilitates production of castings having more peculiar shapes, diversification of a set of alloys, and cost reduction by replacing a full-scale experiment by its software simulation.
Figure 6 shows casting models, a filling system and designs of casting molds that may fit the S-MAX 3D printer.
b
Fig. 6. A casting model, a feeding system and a casting mold for S-MAX: a — head of a block of cylinders; b — a block of cylinders
Additive technologies help to substantially accelerate the production cycle, that comprises the production of castings for components of an internal combustion engine, and to ensure their accuracy.
According to the testing results, the newly developed chemical composition of cast iron, that has an evenly distributed amount of graphite inclusions whose number varies between 90 and 150 per square millimeter, and a reduced range of perlite particle dimensions due to smaller sizes of graphite inclusions (from 90-120 mcm to 45-90 mcm), enables the production of components inside peculiar shape castings, which are free from nonmetal-lic inclusions, which demonstrate higher strength and wear values important for internal combustion engines in operation in severe environments.
The aforementioned findings have proven the feasibility of this technology, applied in the manufacturing of components of internal combustion engines in combination with additive production methods.
Figure 7 shows casting molds and castings designated for components of internal combustion engines and developed according to the technology designed by DEC Limited Liability Company.
b
Fig. 7. Finished molds and castings designated for three-cylinder diesel engine parts produced according to the new technology: a — head of a cylinder block; b — a cylinder block.
conclusion
Presently, the domestic market of the equipment items exposed to the research (auxiliary power generators having internal combustion engines) demonstrates the competition-free dominance of foreign manufacturers; in particular market sectors the share of imported machines exceeds 80 %, and given the dual (military and civil) capability of these products, efforts shall be exerted to design and develop the local product of this kind.
The findings obtained by DEC limited liability company may reduce the dependence of Russian companies on highly popular foreign machinery. Mature technologies enable the production of machines, assemblies and units, which cannot be imported either temporarily or permanently, and this can improve the resource security and defense capacity of our country.
references
1. Mezentseva O.E. Development of high-tech manufacturing in the world and Russia. Fundamental Research. 2015; 7-1:176-181. URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=38747 (rus.).
2. Kondratov N.A. Development of transport infrastructure in the Arctic zone of Russia. Geographical Bulletin. 2017; 4(43):68-80. DOI: 10.17072/2079-7877-2017-4-68-80 (rus.).
3. Kiselev E.M., Putilova N.N. Distributed generation in Russia. Science. Technology. Innovations : a collection of scientific papers of the X All-Russian Scientific Conference of Young Scientists (Novosibirsk, December 5-9, 2016). In 9 parts. Novosibirsk, NSTU, 2016; 4:362-365. (rus.).
4. Vas'kov A.G., Kovalenko E.A., Tyagunov M.G., Sharapov S.A. The use of hybrid energy complexes based on renewable energy in distributed energy. Power engineer. 2014; 2:25-27. (rus.).
5. Goryukhin A.S., Gayntseva E.S., Shaykhutdinova I.I. The choice of casting method using fuzzy algorithms. Scientific journal of Ufa State Aviation Technical University. 2018; 22:1(79):3-9. URL: http://journal.ugatu.ac.ru/index.php/Vestnik/ article/view/234 (rus.).
6. Kruglov E.P., Galimov E.R., Ablyasova A.G., Galimova N.Ya., Yurasov S.Yu., Ganie M.M. et al. The choice and methods of component billet for machine engineering. Kazan', 2015; 433. URL: https://kpfu.ru/portal/docs/F646083646/ Vybor.sposobov.izgotovleniya.zagotovok.dlya.detalei_.mashinostroeniya.pdf (rus.).
7. Afon'kin M.G., Zvyagin V.B. Production of component billet in mechanical engineering. 2nd ed., sup. and rev. Saint Petersburg, Polytechnic, 2007; 379. (rus.).
8. Elenko M.A., Zabednov P.V. Additive technologies in an experimental foundry. Part I. Casting of metals and plastics using synthesis patterns and synthesis molds. Metallurgy of Machinery Building. 2013; 2:45-54. (rus.).
9. Baeva L.S., Marinin A.A. Modern technologies of additive manufacturing of objects. Vestnik of MSTU [Scientific journal of Murmansk State Technical University]. 2014; 17:1:7-12. URL: http://vestnik.mstu.edu.ru/v17_1_n56/07_12_bae-va.pdf (rus.).
10. Technological properties of the main casting alloys. Electronic library. URL: http://libraryno.ru/2-3-tehnologicheskie-svoystva-osnovnyh-liteynyh-splavov-proekt_and_proizv_zagot/ (rus.).
11. Kondratyev VV, Ivanov N.A., Balanovskiy A.E., Ivanchik N.N., Karlina A.I. Improvement of the properties of gray cast iron by silicon dioxide and carbon nanostructures, Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies. 2016; 9:5:671-685. DOI: 10.17516/1999-494X-2016-9-5-671-685 (rus.).
12. Agunsoye J.O., Isaac T.S., Awe O.I., Onwuegbuzie A.T. Effect of silicon additions on the wear properties of grey cast iron. Journal of Minerals and Materials Characterization and Engineering. 2013; 1:2:61-67. DOI: 10.4236/ jmmce.2013.12012
13. Patent No. 2365660 RF, IPC C22C 37/08. Cast iron / VM. Mikryukov; patent holder of OAO "KAMAZ-Metallur-giya". No. 2007144960/02, declare. 03.12.2007, publ. 27.08.2009. Bull. No. 24. (rus.).
14. Attaran M. Additive manufacturing: the most promising technology to alter the supply chain and logis-tics. Journal of Service Science and Management. 2017; 10:03:189-206. DOI: 10.4236/jssm.2017.103017
Received July 22, 2019.
Accepted with revisions August 1, 2019.
Approved for publication September 2, 2019.
About the authors: Kirill Andreevich Kolganov — General Manager, Design and Engineering Company LLC (DEC LLC), 29 Nikolaya Ershova st., Kazan, 420061, Russian Federation, [email protected];
Iliya Vyacheslavovich Mikryukov — Director of Engineering, Design and Engineering Company LLC (DEC LLC), 29 Nikolaya Ershova st., Kazan, 420061, Russian Federation, [email protected];
Alexander Sergeevich Markov — Project Manager, Design and Engineering Company LLC (DEC LLC), 29 Nikolaya Ershova st., Kazan, 420061, Russian Federation, [email protected].
