Том 24 № 4 2022 1 СОДЕРЖАНИЕ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ СОУЧРЕДИТЕЛИ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» ООО НПКФ «Машсервисприбор» ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР Батаев Анатолий Андреевич – профессор, доктор технических наук, ректор НГТУ ЗАМЕСТИТЕЛИ ГЛАВНОГО РЕДАКТОРА Иванцивский Владимир Владимирович – доцент, доктор технических наук Скиба Вадим Юрьевич – доцент, кандидат технических наук Ложкина Елена Алексеевна – редактор перевода текста на английский язык, кандидат технических наук Перепечатка материалов из журнала «Обработка металлов» возможна при обязательном письменном согласовании с редакцией журнала; ссылка на журнал при перепечатке обязательна. За содержание рекламных материалов ответственность несет рекламодатель. 16+ РЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТ Председатель совета Пустовой Николай Васильевич – доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ, член Национального комитета по теоретической и прикладной механике, президент НГТУ, г. Новосибирск (Российская Федерация) Члены совета Федеративная Республика Бразилия: Альберто Морейра Хорхе, профессор, доктор технических наук, Федеральный университет, г. Сан Карлос Федеративная Республика Германия: Монико Грайф, профессор, доктор технических наук, Высшая школа Рейн-Майн, Университет прикладных наук, г. Рюссельсхайм, Томас Хассел, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен, Флориан Нюрнбергер, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен Испания: Чувилин А.Л., кандидат физико-математических наук, профессор, научный руководитель группы электронной микроскопии «CIC nanoGUNE», г. Сан-Себастьян Республика Беларусь: Пантелеенко Ф.И., доктор технических наук, профессор, член-корреспондент НАН Беларуси, Заслуженный деятель науки Республики Беларусь, Белорусский национальный технический университет, г. Минск Украина: Ковалевский С.В., доктор технических наук, профессор, проректор по научно-педагогической работе Донбасской государственной машиностроительной академии, г. Краматорск Российская Федерация: Атапин В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Балков В.П., зам. ген. директора АО «ВНИИинструмент», канд. техн. наук, г. Москва, Батаев В.А., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Буров В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Герасенко А.Н., директор ООО НПКФ «Машсервисприбор», г. Новосибирск, Кирсанов С.В., доктор техн. наук, профессор, ТПУ, г. Томск, Коротков А.Н., доктор техн. наук, профессор, академик РАЕ, КузГТУ, г. Кемерово, Кудряшов Е.А., доктор техн. наук, профессор, Засл. деятель науки РФ, ЮЗГУ, г. Курск, Лобанов Д.В., доктор техн. наук, доцент, ЧГУ, г. Чебоксары, Макаров А.В., доктор техн. наук, член-корреспондент РАН, ИФМ УрО РАН, г. Екатеринбург, Овчаренко А.Г., доктор техн. наук, профессор, БТИ АлтГТУ, г. Бийск, Сараев Ю.Н., доктор техн. наук, профессор, ИФПМ СО РАН, г. Томск, Янюшкин А.С., доктор техн. наук, профессор, ЧГУ, г. Чебоксары В 2017 году журнал «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» вошел в индекс цитирования Emerging Sources Citation Index (ESCI) базы Web of Science. Журналы, представленные в индексе цитирования ESCI, отвечают большинству базовых критериев Core Collection и расцениваются компанией Clarivate Analytics как наиболее влиятельные и востребованные издания, имеющие большую вероятность высокого научного интереса. Журнал входит в «Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук». Полный текст журнала «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» теперь можно найти в базах данных компании EBSCO Publishing) на платформе EBSCOhost. EBSCO Publishing является ведущим мировым агрегатором научных и популярных изданий, а также электронных и аудиокниг. ИЗДАЕТСЯ С 1999 г. Периодичность – 4 номера в год ИЗДАТЕЛЬ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» Журнал включен в Реферативный журнал и Базы данных ВИНИТИ. Сведения о журнале ежегодно публикуются в международной справочной системе по периодическим и продолжающимся изданиям «Ulrich’s Periodicals Directory» Журнал награжден в 2005 г. Большой Золотой Медалью Сибирской Ярмарки за освещение новых технологий, инструмента, оборудования для обработки металлов Журнал зарегистрирован 01.03.2021 г. Федеральной службой по надзору за соблюдением законодательства в сфере массовых коммуникаций и охране культурного наследия. Свидетельство о регистрации ПИ № ФС77-80400 Индекс: 70590 по каталогу OOO «УП УРАЛ-ПРЕСС» Адрес редакции и издателя: 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, Новосибирский государственный технический университет (НГТУ), корп. 5. Тел. +7 (383) 346-17-75 Сайт журнала http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru Цена свободная
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 4 2022 2 СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОЛОГИЯ Дюрягин А.А., Ардашев Д.В. Исследование взаимосвязи силы резания и шероховатости обработанной поверхности с подачей на зуб при фрезеровании материала EuTroLoy 16604, полученного DMD-методом.... 6 Улаханов Н.С., Тихонов А.С., Мишигдоржийн У.Л., Иванцивский В.В., Вахрушев Н.В. Проблемы исследования остаточных напряжений в упрочненном поверхностном слое инструментальных штамповых сталей после диффузионного бороалитирования................................................................................................... 18 Рубцов В.Е., Панфилов А.О., Княжев Е.О., Николаева А.В., Черемнов А.М., Гусарова А.В., Белобородов В.А., Чумаевский А.В., Иванов А.Н. Отработка методики плазменной резки меди марки М1, алюминиевого сплава Д16Т и титанового сплава ОТ4-1 с использованием плазмотрона с обратной полярностью.... 33 Амиров А.И., Москвичев Е.Н., Иванов А.Н., Чумаевский А.В., Белобородов В.А. Особенности формирования сварного соединения сплава ВТ14 сваркой трением с перемешиванием с использованием жаропрочного инструмента из сплава ЖС6У.......................................................................................................... 53 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Ардашев Д.В., Жуков А.С. Исследование взаимосвязи режущей способности инструмента с параметрами акустического сигнала в процессе профильного шлифования.............................................................................. 64 Батаев Д. К-С., Гойтемиров Р.У., Батаева П.Д. Исследования износостойкости и антифрикционных свойств металлополимерных пар, работающих в имитаторе морской воды........................................................ 84 Заковоротный В.Л., Гвинджилия В.Е., Фесенко Э.О. Использование синергетической концепции при определении программы ЧПУ при токарной обработке........................................................................................ 98 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Соколов Р.А., Новиков В.Ф., Ковенский И.М., Муратов К.Р., Венедиктов А.Н., Чаугарова Л.З. Влияние термической обработки на образование соединения MnS в низкоуглеродистой конструкционной стали 09Г2С................................................................................................................................................................ 113 Бурков А.А., Крутикова В.О. Осаждение силицида титана на нержавеющую сталь AISI304........................ 127 Пугачева Н.Б., Николин Ю.В., Быкова Т.М., Горулева Л.С. Химический состав, структура и микротвердость многослойных высокотемпературных покрытий.................................................................................. 138 Сапрыкина Н.А., Чебодаева В.В., Сапрыкин А.А., Шаркеев Ю.П., Ибрагимов Е.А., Гусева Т.С. Синтез трехкомпонентного сплава на основе алюминия методом селективного лазерного плавления......................... 151 Габец Д.А., Марков А.М., Гурьев М.А., Письменный Е.А., Насырова А.К. Влияние комплексного модифицирования на структуру и свойства серого чугуна триботехнического назначения.................................. 165 Иванов И.В., Юргин А.Б., Насенник И.Е., Купер К.Э. Оценка остаточных напряжений в кристаллических фазах высокоэнтропийных сплавов системы AlxCoCrFeNi.......................................................................... 181 Коростелева Е.Н., Николаев И.О., Коржова В.В. Особенности формирования структуры спеченных порошковых материалов с использованием отходов металлообработки стальных заготовок............................... 192 Ерошенко А.Ю. Легостаева Е.В., Глухов И.А., Уваркин П.В., Толмачев А.И., Лугинин Н.А., Батаев В.А., Иванов И.В., Шаркеев Ю.П. Влияние деформационной обработки на микроструктуру и механические свойства сплава Ti-42Nb-7Zr......................................................................................................... 206 Кутькин О.М., Батаев И.А., Довженко Г.Д., Батаева З.Б. Использование метода синхротронной компьютерной ламинографии при изучении особенностей строения металлических сплавов (обзор исследований)...................................................................................................................................................................... 219 МАТЕРИАЛЫ РЕДАКЦИИ 243 МАТЕРИАЛЫ СОУЧЕРЕДИТЕЛЕЙ 255 Корректор Л.Н. Ветчакова Художник-дизайнер А.В. Ладыжская Компьютерная верстка Н.В. Гаврилова Налоговая льгота – Общероссийский классификатор продукции Издание соответствует коду 95 2000 ОК 005-93 (ОКП) Подписано в печать 07.12.2022. Выход в свет 15.12.2022. Формат 60×84 1/8. Бумага офсетная. Усл. печ.л. 32,0. Уч.-изд. л. 59,52. Изд. № 239. Заказ 321. Тираж 300 экз. Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Vol. 24 No. 4 2022 3 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL BOARD EDITOR-IN-CHIEF: Anatoliy A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Rector, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation DEPUTIES EDITOR-IN-CHIEF: Vladimir V. Ivancivsky, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Vadim Y. Skeeba, Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Editor of the English translation: Elena A. Lozhkina, Ph.D. (Engineering), Department of Material Science in Mechanical Engineering, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation The journal is issued since 1999 Publication frequency – 4 numbers a year Data on the journal are published in «Ulrich's Periodical Directory» Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working and Material Science”) has been Indexed in Clarivate Analytics Services. We sincerely happy to announce that Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working and Material Science”), ISSN 1994-6309 / E-ISSN 2541-819X is selected for coverage in Clarivate Analytics (formerly Thomson Reuters) products and services started from July 10, 2017. Beginning with No. 1 (74) 2017, this publication will be indexed and abstracted in: Emerging Sources Citation Index. Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working & Material Science”) has entered into an electronic licensing relationship with EBSCO Publishing, the world's leading aggregator of full text journals, magazines and eBooks. The full text of JOURNAL can be found in the EBSCOhost™ databases. Novosibirsk State Technical University, Prospekt K. Marksa, 20, Novosibirsk, 630073, Russia Tel.: +7 (383) 346-17-75 http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 24 No. 4 2022 4 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL COUNCIL CHAIRMAN: Nikolai V. Pustovoy, D.Sc. (Engineering), Professor, President, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation MEMBERS: The Federative Republic of Brazil: Alberto Moreira Jorge Junior, Dr.-Ing., Full Professor; Federal University of São Carlos, São Carlos The Federal Republic of Germany: Moniko Greif, Dr.-Ing., Professor, Hochschule RheinMain University of Applied Sciences, Russelsheim Florian Nürnberger, Dr.-Ing., Chief Engineer and Head of the Department “Technology of Materials”, Leibniz Universität Hannover, Garbsen; Thomas Hassel, Dr.-Ing., Head of Underwater Technology Center Hanover, Leibniz Universität Hannover, Garbsen The Spain: Andrey L. Chuvilin, Ph.D. (Physics and Mathematics), Ikerbasque Research Professor, Head of Electron Microscopy Laboratory “CIC nanoGUNE”, San Sebastian The Republic of Belarus: Fyodor I. Panteleenko, D.Sc. (Engineering), Professor, First Vice-Rector, Corresponding Member of National Academy of Sciences of Belarus, Belarusian National Technical University, Minsk The Ukraine: Sergiy V. Kovalevskyy, D.Sc. (Engineering), Professor, Vice Rector for Research and Academic Affairs, Donbass State Engineering Academy, Kramatorsk The Russian Federation: Vladimir G. Atapin, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Victor P. Balkov, Deputy general director, Research and Development Tooling Institute “VNIIINSTRUMENT”, Moscow; Vladimir A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Vladimir G. Burov, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Aleksandr N. Gerasenko, Director, Scientifi c and Production company “Mashservispribor”, Novosibirsk; Sergey V. Kirsanov, D.Sc. (Engineering), Professor, National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk; Aleksandr N. Korotkov, D.Sc. (Engineering), Professor, Kuzbass State Technical University, Kemerovo; Evgeniy A. Kudryashov, D.Sc. (Engineering), Professor, Southwest State University, Kursk; Dmitry V. Lobanov, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary; Aleksey V. Makarov, D.Sc. (Engineering), Corresponding Member of RAS, Head of division, Head of laboratory (Laboratory of Mechanical Properties) M.N. Miheev Institute of Metal Physics, Russian Academy of Sciences (Ural Branch), Yekaterinburg; Aleksandr G. Ovcharenko, D.Sc. (Engineering), Professor, Biysk Technological Institute, Biysk; Yuriy N. Saraev, D.Sc. (Engineering), Professor, Institute of Strength Physics and Materials Science, Russian Academy of Sciences (Siberian Branch), Tomsk; Alexander S. Yanyushkin, D.Sc. (Engineering), Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary
Vol. 24 No. 4 2022 5 CONTENTS OBRABOTKAMETALLOV TECHNOLOGY Dyuryagin A.A., Ardashev D.V. A study of the relationship between cutting force and machined surface roughness with the feed per tooth when milling EuTroLoy 16604 material produced by the DMD method...................... 6 Ulakhanov N.S., Tikhonov A.G., Mishigdorzhiyn U.L., Ivancivsky V.V., Vakhrushev N.V. The features of residual stresses investigation in the hardened surface layer of die steels after diffusion boroaluminizing............... 18 Rubtsov V.E., Panfi lov A.O., Knyazhev E.O., Nikolaeva A.V., Cheremnov A.M., Gusarova A.V., Beloborodov V.A., Chumaevskii A.V., Ivanov A.N. Development of plasma cutting technique for C1220 copper, AA2024 aluminum alloy, and Ti-1,5Al-1,0Mn titanium alloy using a plasma torch with reverse polarity................ 33 Amirov A.I., Moskvichev E.N., Ivanov A.N., Chumaevskii A.V, Beloborodov V.A. Formation features of a welding joint of alloy Ti-5Al-3Mo-1V by the friction stir welding using heat-resistant tool from ZhS6 alloy....... 53 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Ardashev D.V., Zhukov A.S. Investigation of the relationship between the cutting ability of the tool and the acoustic signal parameters during profi le grinding..................................................................................................... 64 Bataev D. K-S., Goitemirov R. U., Bataeva P. D. Studies of wear resistance and antifriction properties of metalpolymer pairs operating in a sea water simulator........................................................................................................ 84 Zakovorotny V.L., Gvindjiliya V.E., Fesenko E.O. Application of the synergistic concept in determining the CNC program for turning............................................................................................................................................ 98 MATERIAL SCIENCE Sokolov R.A., Novikov V.F., Kovenskij I.M., Muratov K.R., Venediktov A.N., Chaugarova L.Z. The effect of heat treatment on the formation of MnS compound in low-carbon structural steel 09Mn2Si................................ 113 Burkov А.А., Krutikova V.O. Deposition of titanium silicide on stainless steel AISI 304 surface...................... 127 Pugacheva N.B., NikolinYu.V., BykovaT.M., Goruleva L.S. Chemical composition, structure and microhardness of multilayer high-temperature coatings..................................................................................................................... 138 Saprykina N.А., Chebodaeva V.V., Saprykin A.А., Sharkeev Y.P., Ibragimov E.А., Guseva T.S. Synthesis of a three-component aluminum-based alloy by selective laser melting............................................................... 151 Gabets D.A., MarkovA.M., Guryev M.A., Pismenny E.A., NasyrovaA.K. The effect of complex modifi cation on the structure and properties of gray cast iron for tribotechnical application..................................................... 165 Ivanov I.V., Yurgin A.B., Nasennik I.E. Kuper K.E. Residual stress estimation in crystalline phases of highentropy alloys of the AlxCoCrFeNi system........................................................................................................... 181 Korosteleva E.N., Nikolaev I.O., Korzhova V.V. Features of the structure formation of sintered powder materials using waste metal processing of steel workpieces................................................................................. 192 EroshenkoA.Yu., Legostaeva E.V., Glukhov I.A., Uvarkin P.V., TolmachevA.I., Luginin N.A., Bataev V.A., Ivanov I.V., Sharkeev Yu.P. Effect of deformation processing on microstructure and mechanical properties of Ti-42Nb-7Zr alloy............................................................................................................................................. 206 Kutkin O.M., Bataev I.A., Dovzhenko G.D., Bataeva Z.B. The study of characteristics of the structure of metallic alloys using synchrotron radiation computed laminography (Research Review)................................ 219 EDITORIALMATERIALS 243 FOUNDERS MATERIALS 255 CONTENTS
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 4 2022 33 ТЕХНОЛОГИЯ Отработка методики плазменной резки меди марки М1, алюминиевого сплава Д16Т и титанового сплава ОТ4-1 с использованием плазмотрона с обратной полярностью Валерий Рубцов a, *, Александр Панфилов b, Евгений Княжев c, Александра Николаева d, Андрей Черемнов e, Анастасия Гусарова f, Владимир Белобородов g, Андрей Чумаевский h, Алексей Иванов i Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук, пр. Академический 2/4, г. Томск, 634055, Россия а https://orcid.org/0000-0003-0348-1869, rvy@ispms.tsc.ru, b https://orcid.org/0000-0001-8648-0743, alexpl@ispms.ru, c https://orcid.org/0000-0002-1984-9720, clothoid@ispms.tsc.ru, d https://orcid.org/0000-0001-8708-8540, nikolaeva@ispms.tsc.ru, e https://orcid.org/0000-0003-2225-8232, amc@ispms.tsc.ru, f https://orcid.org/0000-0002-4208-7584, gusarova@ispms.ru, g https://orcid.org/0000-0003-4609-1617, vabel@ispms.tsc.ru, h https://orcid.org/0000-0002-1983-4385, tch7av@gmail.com, i https://orcid.org/0000-0001-8959-8499, ivan@ispms.tsc.ru Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2022 Том 24 № 4 с. 33–52 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2022-24.4-33-52 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov Введение Плазменная резка металлов является неотъемлемой частью производственных процессов различных отраслей машиностроения. Хотя по качеству реза плазменная резка может уступать, ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 621.791.14 История статьи: Поступила: 21 сентября 2022 Рецензирование: 04 октября 2022 Принята к печати: 03 ноября 2022 Доступно онлайн: 15 декабря 2022 Ключевые слова: Плазменная резка Титановый сплав ОТ4-1 Макроструктура Медь марки М1 Алюминиевый сплав Д16Т Зона термического влияния Изменение механических свойств материала Нарушение макрогеометрии реза Финансирование: Результаты получены при выполнении комплексного проекта «Создание производства высокотехнологичного оборудования адаптивной высокоточной плазменной резки цветных металлов больших толщин для металлургической, авиакосмической и транспортной отраслей РФ» (соглашение о предоставлении субсидии от 06.04.2022 № 075-11-2022-012), реализуемого ИФПМ СО РАН при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках постановления Правительства РФ от 09.04.2010 № 218. Благодарности: Исследования частично выполнены на оборудовании ЦКП «Структура, механические и физические свойства материалов» (соглашение с Минобрнаукой № 13.ЦКП.21.0034). АННОТАЦИЯ Введение. Важным направлением исследований в области плазменной резки металлов является получение поверхности реза металла, характеризующейся минимальными шероховатостью и геометрическими отклонениями. Немаловажным также является минимизация изменений структуры металла под поверхностью реза, вызванных температурным воздействием плазменной струи, в том числе образование окалины. Решением задачи получения качественного реза является оптимизация параметров процесса резки. Среди основных параметров, определяющих качество реза, рассматриваются ток и напряжение плазменной дуги, высота резки, скорость резки. Однако процессам плазменной резки металлов толщин свыше 20 мм уделено недостаточное внимание, что связано с ограничениями, обусловленными условиями работы плазмотронов на токах прямой полярности. Исходя из этого для резки больших толщин перспективным представляется использование плазмотрона, работающего на токах обратной полярности. Целью работы является отработка методики плазменной резки листового проката меди, титанового и алюминиевого сплава толщиной до 40 мм с использованием плазмотрона, работающего на токах обратной полярности. Результаты и обсуждение. Исследования показывают, что для резки сплава Д16Т и титанового сплава ОТ4-1 можно в широком диапазоне регулировать скорость резки, в то время как для проката меди М1 и сплава Д16Т толщиной 40 мм диапазон регулирования скорости резки достаточно узок. Вместе с тем для сплава Д16Т по причине избыточного выпадения легирующих элементов из твердого раствора в зоне термического влияния отмечалось падение микротвердости, для сплава ОТ4-1 характерным являлся рост микротвердости, обусловленный закалкой материала. Изменение параметров режима резки позволяет получать более однородную макрогеометрию поверхности реза, меньшую глубину зоны переплава материала и зоны термического влияния и меньшие изменения механических свойств материала в зоне реза. Для сплава ОТ4-1 практически все использованные режимы резки являлись близкими к оптимальным. Для сплава Д16Т и меди марки М1 определены режимы, обеспечивающие в рассматриваемом диапазоне параметров наилучшее качество реза. По результатам работы можно сделать вывод о том, что плазменная резка на токах обратной полярности является эффективной для резки проката больших толщин, однако методика требует дальнейшей отработки с целью повышения качества получаемого реза. Для цитирования: Отработка методики плазменной резки меди марки М1, алюминиевого сплава Д16Т и титанового сплава ОТ4-1 с использованием плазмотрона с обратной полярностью / В.Е. Рубцов, А.О. Панфилов, Е.О. Княжев, А.В. Николаева, А.М. Черемнов, А.В. Гусарова, В.А. Белобородов, А.В. Чумаевский, А.Н. Иванов // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2022. – Т. 24, № 4. – С. 33–52. – DOI: 10.17212/1994-6309-2022-24.4-33-52. ______ *Адрес для переписки Рубцов Валерий Евгеньевич, в.н.с. Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук, пр. Академический 2/4, 634055, г. Томск, Россия Тел.: 8 (382) 228–68–63, e–mail: rvy@ispms.ru
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 4 2022 34 ТЕХНОЛОГИЯ к примеру, гидроабразивной или лазерной резке [1], однако ее преимуществом является оптимальное сочетание технологических возможностей, простоты аппаратурного оформления и производительности, в том числе при резке металла толщиной свыше 100 мм [2]. На сегодняшний день проводится ряд исследований в области плазменной резки металлов. Важным направлением исследований является получение поверхности реза металла, характеризующейся минимальными шероховатостью и геометрическими отклонениями [3–6]. Немаловажным также является минимизация изменений структуры металла под поверхностью реза, вызванных температурным воздействием плазменной струи, в том числе образование окалины [7–10]. Эти направления формируют основную задачу исследований: получение качественного реза, поскольку геометрические и структурные изменения материала обычно устраняются дальнейшей обработкой, минимизация припусков под которую определяет эффективность процесса плазменной резки. Для решения этой задачи исследователями предлагается ряд методов, связанных как с изменением аппаратной реализации процесса резки, так и с оптимизацией его параметров [11–14]. Методы оптимизации параметров режима подразумевают под собой применение различных методов математического моделирования, устанавливающих связь между геометрическими и структурными параметрами материала в области реза и рядом параметров режима процесса резки. Среди основных параметров, определяющих качество реза, рассматриваются ток и напряжение плазменной дуги, высота резки, скорость резки [15–17]. Однако все исследования ведутся преимущественно с рассмотрением разрезаемых металлов толщиной до 20 мм, резке же металлов больших толщин уделено недостаточное внимание. По мнению авторов, это связано прежде всего с ограничениями, связанными с условиями работы режущих плазмотронов. Наиболее широко применяемые плазмотроны с термохимическими катодами и работающие на прямой полярности тока имеют ограничения по мощности и числу включений, что связано с температурным режимом работы, а также износом катодных вставок из относительно дорогих и дефицитных металлов [18–20]. Для резки металлов больших толщин перспективным представляется способ резки на токах обратной полярности, при котором опорное пятно режущей дуги значительно углубляется в полость реза, а распределение теплового потока, поступающего во фронтальную кромку реза, по высоте последней более равномерное. Благодаря этому становится возможной резка металлов больших толщин, достигается лучшее качество реза по скосу кромок, меньшая ширина полости реза [21, 22]. Исходя из вышесказанного основная цель настоящей работы заключается в отработке методики плазменной резки листового проката меди, титанового и алюминиевого сплава толщиной до 40 мм с использованием плазмотрона, работающего на токах обратной полярности. Дополнительной задачей является установление влияния толщины листового проката и нестандартного расположения пластин на строение кромки реза. Методика исследований Экспериментальные исследования выполнялись на производственном участке в ООО «ИТС–Сибирь». Резку осуществляли на плазмотроне с обратной полярностью. Внешний вид установки плазменной резки представлен на рис. 1. Установка состоит из рабочего стола для установки заготовок, плазмотрона, перемещающейся каретки и направляющих для перемещения плазмотрона. В ее состав также входит блок газоподготовки и силовая установка. Использовали в эксперименте оборудование с плазмотроном с обратной полярностью. В качестве защитного газа применяли азот. В качестве экспериментального материала был использован листовой прокат меди марки М1 толщиной 40 мм, алюминиевого сплава Д16Т толщиной 12 и 40 мм, и титанового сплава ОТ4-1 толщиной 5 и 10 мм. Образцы титанового сплава толщиной 10 мм использовались в виде сложенных двух листов толщиной 5 мм. Это было сделано для дополнительного выявления особенностей резки пакетов листового проката, в значительной степени изменяющихся при наличии поверхности раздела между разрезаемыми листами. Использованные в исследовании параметры процесса резки приведены в табл. 1.
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 24 No. 4 2022 35 TECHNOLOGY Рис. 1. Установка плазменной резки: а – внешний вид установки; б – снимок процесса резки; в – внешний вид плазмотрона; 1 – рабочий стол; 2 – плазмотрон; 3 – каретка; 4 – направляющие для поперечного перемещения; 5 – направляющие для продольного перемещения Fig. 1. Plasma cutter: a – plasma cutter appearance; б – an image of the cutting process; в – plasmatron appearance; 1 – work table; 2 – plasmatron; 3 – carriage; 4 – linear guides for transverse movement; 5 – linear guides for longitudinal movement Т а б л и ц а 1 Ta b l e 1 Режимы плазменной резки Plasma cutting modes Сплав / Alloy S, мм / S, mm Номер режима / Mode No. Задержка прожига, с / Delay of pierce, s Высота прожига, мм / Height of pierce, mm Высота резки, мм / Cutting height, mm I, А / I, А U, В / U, V V, мм/ мин / V, mm/ min ОТ4-1 5 1 0,4 6,07 2,54 130 154 2400 ОТ4-1 5 2 0,4 6,07 2,54 130 154 2000 ОТ4-1 5 3 0,4 6,07 2,54 130 154 1600 ОТ4-1 10 1 0,5 6,07 2,54 130 171 1600 ОТ4-1 10 2 0,5 6,07 2,54 130 171 1200 ОТ4-1 10 3 0,5 6,07 2,54 130 171 1400 Д16Т 12 1 0,4 – 3,81 300 170 4542 Д16Т 12 2 0,4 – 3,81 300 170 3000 Д16Т 12 3 0,4 – 3,81 300 170 2000 Д16Т 12 4 0,4 – 3,81 300 170 6000 Д16Т 12 5 0,4 – 3,81 300 170 8000 Д16Т 40 1 0,6 – 6,35 300 205 559 Д16Т 40 2 0,4 – 6,35 300 205 559 Д16Т 40 3 0,6 – 6,35 300 205 450 Д16Т 40 4 0,6 – 6,35 300 205 400 Д16Т 40 5 0,6 – 6,35 300 205 300 Д16Т 40 6 0,6 – 4,0 300 205 300 Д16Т 40 7 0,4 – 4,0 300 205 300 Д16Т 40 8 0,6 – 4,0 300 205 650
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 4 2022 36 ТЕХНОЛОГИЯ О к о н ч а н и е т а б л. 1 T h e E n d Ta b l e 1 Сплав / Alloy S, мм / S, mm Номер режима / Mode No. Задержка прожига, с / Delay of pierce, s Высота прожига, мм / Height of pierce, mm Высота резки, мм / Cutting height, mm I, А / I, А U, В / U, V V, мм/ мин / V, mm/ min Д16Т 40 9 0,6 – 4,0 300 205 750 Д16Т 40 10 0,6 – 4,0 300 205 800 М1 40 1 0,5 6,35 6,35 300 205 450 М1 40 2 2,0 6,35 4,35 300 205 450 М1 40 3 2,0 6,35 4,35 300 205 300 М1 40 4 4,0 6,35 4,35 300 205 250 М1 40 5 6,0 6,35 4,35 300 205 150 М1 40 6 6,0 4,0 4,35 300 205 150 М1 40 7 6,0 4,0 4,35 300 205 100 Параметры процесса плазменной резки определяли эмпирически на основании типовых параметров, используемых при резке металлов и сплавов на стандартном оборудовании. Длину реза варьировали от 100 до 300 мм. Подбор параметров осуществляли до достижения относительно равномерного реза, который определяли с использованием визуально-измерительного контроля. Методически работы строилась таким образом, чтобы в процессе испытаний была определена оптимальная скорость резки, необходимая для наиболее быстрого получения качественного реза с наименьшими искажениями макрогеометрии, зоной термического влияния и наиболее равномерной поверхностью реза. Для этого изначально использовались различные параметры тока и скорости резки, после чего при удовлетворительном качестве реза производилось увеличение скорости резки. При неудовлетворительном качестве реза скорость снижалась. Дополнительно осуществлялся подбор параметров времени и высоты прожига, высоты резки и др. После проведения экспериментальных работ по плазменной резке производились исследования поверхности реза образцов как с помощью визуально-измерительного контроля со съемкой поверхности, так и с помощью камеры Pentax K-3 с фокусным расстоянием объектива 100 мм. Для металлографических исследований образцов использовался оптический микроскоп Альтами МЕТ 1С. Микротвердость определяли с использованием твердомера Duramin 5. Измерения микротвердости проводили на металлографических шлифах начиная с 10 мкм от поверхности реза. Глубина, на которую определяли изменения микротвердости, выбиралась исходя из размера зоны термического влияния. Вырезка образцов для исследований осуществлялась электроэрозионным методом на электроэрозионном станке DK7750 поперечно плоскости реза. Дополнительно с использованием конфокального микроскопа Olympus LEXT 4100 оценивалась поверхность реза с определением высоты неровностей над поверхностью реза. Общие выводы о качестве реза формулировались исходя из оценки всех основных факторов и зависели от суммарной глубины от поверхности реза микронеровностей, нарушения макрогеометрии и зоны термического влияния. Дополнительно учитывалось расположение указанных дефектов, так как нарушение макрогеометрии реза и зона термического влияния частично пересекаются. Результаты и их обсуждение В процессе плазменной резки образцов металлов и сплавов на поверхности реза формируется специфический рельеф, имеющий различное строение для различных сплавов. Например, поверхность реза титанового сплава для большинства образцов характеризуется наличием регулярного рельефа, различающегося в верхней и нижней части (1, 2, рис. 2, а). Причем достаточно четко различается внешний вид поверхности образца в верхней и нижней части реза, что мо-
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 24 No. 4 2022 37 TECHNOLOGY Рис. 2. Внешний вид поверхности реза образцов титанового сплава ОТ4-1: а, б – две пластины толщиной 5 мм; 1 – нижняя часть поверхности реза; 2 – верхняя часть поверхности реза; 3 – нижняя часть поверхности реза верхней пластины; 4 – верхняя часть поверхности реза верхней пластины; 5 – верхняя часть поверхности реза нижней пластины; 6 – нижняя часть поверхности реза нижней пластины Fig. 2. Appearance of the cut face of the titanium alloy samples: a – the plate is 5 mm thick; б – two plates are 5 mm thick; 1 – bottom of the cut face; 2 – top of the cut face; 3 – bottom of the cut face of upper plate; 4 – top of the cut face of upper plate; 5 – top of the cut face of lower plate; 6 – bottom of the cut face of lower plate жет быть связано с различными особенностями вытеснения расплавленного металла струей газа из зоны реза. В верхней части образцов высота выступов над поверхностью реза составляет в среднем 70…75 мкм, в то время как в нижней части она составляет более 245…275 мкм в зависимости от режима резки (наименьшие значения характерны для режима со скоростью резки 2000 мм/мин, см. табл. 1). Образованы данные выступы потоками расплавленного металла, выдуваемого струей газа из зоны реза, быстро затвердевающими при отводе плазматрона от точки реза. Как видно из оптических фотографий и из результатов лазерной сканирующей микроскопии, выступы в верхней части реза, помимо меньшего размера, можно охарактеризовать меньшим по сравнению с выступами в нижней части образца расстоянием между ними. На поверхности как в верхней, так и в нижней части образца можно видеть достаточно явные признаки окисления (рис. 2, а), несмотря на применение в процессе резки защитного газа. В нижней части реза можно выделить неравномерность кромки, которая образуется при резке в результате вытеснения металла из области реза, и его кристаллизацию с образованием небольшого наплыва. При плазменной резке образцов титанового сплава ОТ4-1 толщиной 10 мм вследствие увеличенной толщины материала и сложенных внахлест листов вытеснение расплавленного металла из зоны резки было затруднено. По этой причине различие в особенностях строения верхней и нижней части реза становится ещё более существенным. На рис. 2, б представлены изображения поверхности верхней и нижней пластины после резки по режиму № 1 (см. табл. 1). Поверхность верхней пластины после резки достаточно близка к наблюдаемой ранее на образцах толщиной 5 мм. В верхней части верхней пластины высота неровностей над поверхностью реза составляет не более 110…150 мкм,
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1