Том 25 № 4 2023 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, Коротков А.Н., доктор техн. наук, профессор, академик РАЕ, КузГТУ, г. Кемерово, 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 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 Журнал «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» индексируется в крупнейших в мире реферативнобиблиографическихи наукометрических базах данных Web of Science и Scopus.
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 4 2023 2 СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОЛОГИЯ Акинцева А.В., Переверзев П.П. Моделирование взаимосвязи силы резания с глубиной резания и объемами снимаемого металла единичными зернами при плоском шлифовании.................................................................................................................... 6 Шарма Ш.С., Йоши А., Раджпут Й.С. Систематический обзор технологий производства металлической пены...................... 22 Карлина Ю.И., Кононенко Р.В., Иванцивский В.В., Попов М.А., Дерюгин Ф.Ф., Бянкин В.Е. Обзор современных требований к сварке трубных высокопрочных низколегированных сталей................................................................................................. 36 Старцев Е.А., Бахматов П.В. Влияние режимов дуговой автоматической сварки на геометрические параметры шва стыковых соединений из низкоуглеродистой стали, выполненных с применением экспериментального флюса.............................. 61 Мартюшев Н.В., Козлов В.Н., Ци М., Багинский А.Г., Хань Ц., Бовкун А.С. Фрезерование заготовок из мартенситной стали 40Х13, полученных с помощью аддитивных технологий.......................................................................................................... 74 Логинов Ю.Н., Замараева Ю.В. Оценка схемы многоканального углового прессования прутков и возможности ее применения на практике................................................................................................................................................................................. 90 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Раджпут Й.С., Шарма А.К., Мишра В.Н., Саксена К., Дипак Д., Шарма Ш.С. Влияние геометрии наконечника сварочного инструмента на характеристики растяжения соединений сплава АА8011, полученных сваркой трением с перемешиванием.... 105 Чинчаникар С., Гейдж М.Г. Моделирование рабочих характеристик и мультикритериальная оптимизация при токарной обработке нержавеющей стали AISI 304 (12Х18Н10Т) резцами с износостойким покрытием и с износостойким покрытием, подвергнутым микропескоструйной обработке.................................................................................................................................... 117 Гуле Г.С., Санап С., Чинчаникар С. Точение стали AISI 52100 с наложением ультразвуковых колебаний: сравнительная оценка и моделирование с использованием анализа размерностей.................................................................................................... 136 Пивкин П.М., Ершов А.А., Миронов Н.Е., Надыкто А.Б. Влияние формы тороидальной задней поверхности на углы режущего клина и механические напряжения вдоль режущей кромки сверла.................................................................................. 151 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Соколов Р.А., Муратов К.Р., Венедиктов А.Н., Мамадалиев Р.А. Влияние внутренних напряжений на интенсивность коррозионных процессов конструкционной стали......................................................................................................................... 167 Клименов В.А., Колубаев Е.А., Хань Ц., Чумаевский А.В., Двилис Э.С., Стрелкова И.Л., Дробяз Е.А., Яременко О.Б., Куранов А.Е. Модуль упругости и твердость титанового сплава, сформировавшегося в условиях электронного лучевого сплавления при 3D-печати проволокой................................................................................................................................................. 180 Воронцов А.В., Филиппов А.В., Шамарин Н.Н., Москвичев Е.Н., Новицкая О.С., Княжев Е.О., Денисова Ю.А., Леонов А.А., Денисов В.В. In situ анализ кристаллической решетки нитридных однокомпонентных и многослойных покрытий ZrN/CrN в процессе термоциклирования............................................................................................................................................... 202 Рубцов В.Е., Панфилов А.О., Княжев Е.О., Николаева А.В., Черемнов А.М., Гусарова А.В., Белобородов В.А., Чумаевский А.В., Гриненко А.В., Колубаев Е.А. Влияние высокоэнергетического воздействия при плазменной резке на структуру и свойства поверхностных слоёв алюминиевых и титановых сплавов............................................................................................... 216 Бобылёв Э.Э., Стороженко И.Д., Маторин А.А., Марченко В.Д. Особенности формирования Ni-Cr покрытий, полученных диффузионным легированием из среды легкоплавких жидкометаллических растворов.................................................................. 232 Бурков А.А., Коневцов Л.А., Дворник М.И., Николенко С.В., Кулик М.А. Формирование и исследование свойств покрытий из металлического стекла FeWCrMoBC на стали 35............................................................................................................ 244 Шарма Ш.С., Хатри Р., Йоши А. Синергетический подход к разработке легкого пористого металлического пеноматериала на основе алюминия с использованием литейно-металлургического метода.................................................................................... 255 Строкач Е.А., Кожевников Г.Д., Пожидаев А.А., Добровольский С.В. Моделирование эрозионного износа титанового сплава высокоскоростным потоком частиц........................................................................................................................................... 268 МАТЕРИАЛЫ РЕДАКЦИИ 284 МАТЕРИАЛЫ СОУЧЕРЕДИТЕЛЕЙ 295 Корректор Е.Е. Татарникова 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 01.12.2023. Выход в свет 15.12.2023. Формат 60×84 1/8. Бумага офсетная. Усл. печ.л. 37,0. Уч.-изд. л. 68,82. Изд. № 209. Заказ 296. Тираж 300 экз. Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Vol. 25 No. 4 2023 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. 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 Journal “Obrabotka Metallov – Metal Working and Material Science” is indexed in the world's largest abstracting bibliographic and scientometric databases Web of Science and Scopus. 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.
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 4 2023 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 Aff airs, 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. Korotkov, D.Sc. (Engineering), Professor, Kuzbass State Technical University, Kemerovo; 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. 25 No. 4 2023 5 CONTENTS OBRABOTKAMETALLOV TECHNOLOGY Akintseva A.V., Pereverzev P.P. Modeling the interrelation of the cutting force with the cutting depth and the volumes of the metal being removed by single grains in fl at grinding........................................................................................................................................ 6 Sharma S.S., Joshi A., Rajpoot Y.S. A systematic review of processing techniques for cellular metallic foam production................. 22 Karlina Yu.I., Kononenko R.V., Ivantsivsky V.V., Popov M.A., Deryugin F.F., Byankin V.E. Review of modern requirements for welding of pipe high-strength low-alloy steels.......................................................................................................................................... 36 Startsev E.A., Bakhmatov P.V. The infl uence of automatic arc welding modes on the geometric parameters of the seam of butt joints made of low-carbon steel, made using experimental fl ux......................................................................................................................... 61 Martyushev N.V., Kozlov V.N., Qi M., Baginskiy A.G., Han Z., Bovkun A.S. Milling martensitic steel blanks obtained using additive technologies................................................................................................................................................................................ 74 Loginov Yu.N., Zamaraeva Yu.V. Evaluation of the bars’ multichannel angular pressing scheme and its potential application in practice................................................................................................................................................................................................... 90 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Rajpoot Y.S., SharmaA.K., Mishra V.N., Saxena K., Deepak D., Sharma S.S. Eff ect of tool pin profi le on the tensile characteristics of friction stir welded joints of AA8011.................................................................................................................................................... 105 Chinchanikar S., Gadge M.G. Performance modeling and multi-objective optimization during turning AISI 304 stainless steel using coated and coated-microblasted tools........................................................................................................................................................ 117 Ghule G.S., Sanap S., Chinchanikar S. Ultrasonic vibration-assisted hard turning of AISI 52100 steel: comparative evaluation and modeling using dimensional analysis........................................................................................................................................................ 136 Pivkin P.M., Ershov A.A., Mironov N.E., Nadykto A.B. Infl uence of the shape of the toroidal fl ank surface on the cutting wedge angles and mechanical stresses along the drill cutting edge...................................................................................................................... 151 MATERIAL SCIENCE Sokolov R.A., Muratov K.R., Venediktov A.N., Mamadaliev R.A. Infl uence of internal stresses on the intensity of corrosion processes in structural steel....................................................................................................................................................................... 167 Klimenov V.A., Kolubaev E.A., Han Z., Chumaevskii A.V., Dvilis E.S., Strelkova I.L., Drobyaz E.A., Yaremenko O.B., Kuranov A.E. Elastic modulus and hardness of Ti alloy obtained by wire-feed electron-beam additive manufacturing................... 180 Vorontsov A.V., Filippov A.V., Shamarin N.N., Moskvichev E.N., Novitskaya O.S., Knyazhev E.O., Denisova Yu.A., Leonov A.A., Denisov V.V. In situ crystal lattice analysis of nitride single-component and multilayer ZrN/CrN coatings in the process of thermal cycling.......................................................................................................................................................................................... 202 Rubtsov V.E., Panfi lov A.O., Kniazhev E.O., Nikolaeva A.V., Cheremnov A.M., Gusarova A.V., Beloborodov V.A., Chumaevskii A.V., Grinenko A.V., Kolubaev E.A. Infl uence of high-energy impact during plasma cutting on the structure and properties of surface layers of aluminum and titanium alloys................................................................................................................... 216 Bobylyov E.E., Storojenko I.D., Matorin A.A., Marchenko V.D. Features of the formation of Ni-Cr coatings obtained by diff usion alloying from low-melting liquid metal solutions..................................................................................................................................... 232 Burkov А.А., Konevtsov L.А., Dvornik М.И., Nikolenko S.V., Kulik M.A. Formation and investigation of the properties of FeWCrMoBC metallic glass coatings on carbon steel.......................................................................................................................... 244 Sharma S.S., Khatri R., Joshi A. A synergistic approach to the development of lightweight aluminium-based porous metallic foam using stir casting method........................................................................................................................................................................... 255 Strokach E.A., Kozhevnikov G.D., Pozhidaev A.A., Dobrovolsky S.V. Numerical study of titanium alloy high-velocity solid particle erosion.......................................................................................................................................................................................... 268 EDITORIALMATERIALS 284 FOUNDERS MATERIALS 295 CONTENTS
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 4 2023 74 ТЕХНОЛОГИЯ Фрезерование заготовок из мартенситной стали 40Х13, полученных с помощью аддитивных технологий Никита Мартюшев 1, a, *, Виктор Козлов 1, b, Мэнсюй Ци 1, c, Андрей Багинский 1, d, Цзэли Хань 1, e, Александр Бовкун 2, f 1 Национальный исследовательский Томский политехнический университет, пр. Ленина, 30, г. Томск, 634050, Россия 2 Иркутский национальный исследовательский технический университет, ул. Лермонтова, 83, г. Иркутск, 664074, Россия a https://orcid.org/0000-0003-0620-9561, martjushev@tpu.ru; b https://orcid.org/0000-0001-9351-5713, kozlov-viktor@bk.ru; c https://orcid.org/0000-0003-3738-0193, mensyuy1@tpu.ru; d https://orcid.org/0000-0002-1544-6406, bagin@tpu.ru; e https://orcid.org/0000-0001-6502-6541, hanzelizy@gmail.com; f https://orcid.org/0000-0002-0623-4284, Bovas87@yandex.ru Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2023 Том 25 № 4 с. 74–89 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2023-25.4-74-89 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 621.9 История статьи: Поступила: 14 июля 2023 Рецензирование: 24 июля 2023 Принята к печати: 11 октября 2023 Доступно онлайн: 15 декабря 2023 Ключевые слова: Электронно-лучевая наплавка Аддитивные технологии Мартенситная нержавеющая сталь Силы резания Режимы обработки Фрезерование Финансирование Исследование выполнено при поддержке программы развития ТПУ. Благодарности Исследования частично выполнены на оборудовании ЦКП «Структура, механические и физические свойства материалов» (соглашение с Минобрнауки № 13.ЦКП.21.0034). АННОТАЦИЯ Введение. В последние годы большее внимание уделяется аддитивным технологиям печати проволокой. Из-за особенностей печати проволокой твердость заготовки получается существенно выше, чем при традиционной ковке. Увеличение твердости приводит к увеличению силы резания. Целью работы является исследование силы резания при фрезеровании образцов из нержавеющей стали 40Х13, полученных методом электронно-лучевой наплавки. Методы исследования. Образцы получались наплавкой проволоки из мартенситной нержавеющей стали 40Х13. В работе исследована микроструктура образцов. Для проведения исследовательской работы была выбрана стандартная методика проведения экспериментов по определению сил резания. Однако для определения сил Pz и Py использовалась четырёхзубая (z = 4) фреза и ширина фрезерования была менее 2 мм. В работе исследованы образцы, полученные с помощью электронно-лучевой наплавки проволокой из стали 40Х13. Определены силы резания, возникающие при фрезеровании данных образцов. Результаты и обсуждение. Структура полученных электронно-лучевой наплавкой образцов – это мартенсит отпуска. Установлено, что высокоскоростное фрезерование, высокоэффективное фрезерование и встречное фрезерование подходят для обработки таких заготовок. Для обработки тонкостенных заготовок из мартенситной нержавеющей стали после их изготовления методом электронно-лучевой наплавки необходимо использовать попутное фрезерование. Полученные в исследовании режимы резания позволяют снизить температуру режущей кромки, силу резания и изгиб маложёсткой концевой фрезы. Так, в ходе исследования удалось подобрать режимы, позволяющие уменьшить вибрацию системы «станок – приспособление – инструмент – деталь». Для цитирования: Фрезерование заготовок из мартенситной стали 40Х13, полученных с помощью аддитивных технологий / Н.В. Мартюшев, В.Н. Козлов, М. Ци, А.Г. Багинский, Ц. Хань, А.С. Бовкун // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2023. – Т. 25, № 4. – С. 74–89. – DOI: 10.17212/1994-6309-2023-25.4-74-89. ______ *Адрес для переписки Мартюшев Никита Владимирович, к.т.н., доцент Национальный исследовательский Томский политехнический университет, пр. Ленина, 30, 634050, г. Томск, Россия Тел.: +7 (3822) 60-62-85, e-mail: martjushev@tpu.ru Введение Развитие науки и промышленности приводит к появлению и активному развитию новых технологий. Такие технологии появляются и в направлении обработки и изготовления металлических деталей и заготовок. Одни из перспективных современных технологий изготовления деталей – это аддитивные технологии. Адди-
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 4 2023 75 TECHNOLOGY тивные технологии имеют не слишком высокую производительность, стоимость изготовления деталей в этом случае также достаточно велика. Одним из направлений развития аддитивных технологий стала печать образцов с помощью наплавки металла. Такая технология существенно снижает время и стоимость изготовления заготовки. Это обусловлено тем, что для печати используется не порошок, а наплавочная проволока, которая в разы дешевле. Однако недостатком такого способа являлется то, что формируемая поверхность имет плохое качество, и требуется последующая механическая обработка. Из-за особенности этой технологии, связанной с охлаждением напечатанных деталей, их твердость получается выше, чем при ковке или литье. Особенно это проявляется при изготовлении деталей из мартенситных нержавеющих сталей, которые достаточно недорогие и широко используются в том числе и для наплавки. При формировании детали методом послойной наплавки на предыдущий слой наносится новый слой. Предыдущий слой повторно нагревается и снова быстро охлаждается. Поскольку критическая скорость охлаждения мартенситных сталей невелика, то формируется мартенситная структура, обладающая высокой твердостью. Исследования, проведенные авторами работ [2, 3], подтверждают это. Послойная наплавка порошка лазером дает различные механические свойства по сечению печатаемых заготовок. Величина зерна, пористость и соответственно механические свойства зависят от направления, в котором производится их измерение. В работе [4] показано, что свойства напечатанных с помощью аддитивных технологий изделий различны в разных направлениях. Авторы также отметили, что это можно частично исправить с помощью термообработки, но потребуются затраты на дополнительную операцию. Аналогичные результаты приведены в [5]. Показывается, что в результате термоциклирования отдельных областей при печати могут возникать внутренние напряжения в печатаемой заготовке. В работе [5] также говорится, что на поверхности образцов 40Х13 при SLM образовалась труднообрабатываемая корка (750 HV). При печати проволокой (WAAM) идет рекристаллизация нижнего слоя во время нанесения на него следующего слоя. При этом формируется структура, состоящая из вытянутых зерен феррита и мелкозернистого игольчатого мартенсита в матрице в верхнем слое. Эта структура образуется вместо пространственной периодичности мартенситных реек внутри равноосных зерен феррита во внутренних слоях. Содержание мартенсита постепенно увеличивалось по мере удаления от основного металла [6]. Условия работы оборудования во многом определяют процесс формирования заготовки с помощью наплавки проволокой. На него влияют такие параметры, как температура подложки, траектория движения [7] и др. Однако даже при оптимальных режимах все равно получаются различные дефекты структуры материала (упрочнение поверхности, неоднородности и др.). Одной из аддитивных технологий является технология WAAM. При печати заготовок по технологии WAAM также получаются заготовки с неоднородными механическими свойствами и структурой. Еще один недостаток WAAMтехнологии – плохое качество поверхности. После изготовления заготовки требуется последующая механическая обработка для получения желаемых геометрических допусков и свойств поверхности [8]. При механической обработке таких заготовок следует учитывать эти особенности. Обработка на фрезерном станке заготовок, полученных из нержавеющих сталей методом WAAM, возможна с достаточно высокой производительностью [9], но при этом наблюдается значительный износ инструмента при фрезеровании детали WAAM. Это происходит несмотря на то, что инструмент и параметры фрезерования выбраны на основе рекомендаций производителя по обработке данного материала. Неоднородная микроструктура, образующаяся в образце, получаемом по технологии WAAM, дает существенное ухудшение его обрабатываемости. Это происходит из-за сложных термических циклов при печати. В работе [10] продемонстрированы сложности, возникающие при фрезеровании концевой фрезой из Al2O3/ Si3N4 (сиалон) сплава Ti6Al4V. Авторы работы отметили более значительный износ инструмента при обработке WAAM-образцов в сравнении с коваными и литыми образцами. Снизить износ и повысить стойкость инструмента можно за счет изменения скорости реза-
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 4 2023 76 ТЕХНОЛОГИЯ ния и подачи [11, 12]. Можно также использовать криогенное охлаждение режущего инструмента. Другой способ снижения износа инструмента – это подбор режимов печати, формирующих нужные поверхностные свойства. Чтобы преодолеть неоднородность печатаемой заготовки по твердости, была разработана и проверена методология агрегирования данных микротвердости в отдельных сборках [13, 14]. Совмещение различных технологий аддитивной печати дает возможность получать более однородную структуру. Однако в целом исследователи отмечают [15], что при обработке напечатанных заготовок идет увеличение сил резания в сравнении с заготовками, полученными традиционными методами. Авторы [16] указывают, что заготовки, полученные методами аддитивных технологий, дают совершенно различные силы резания при одних и тех же режимах обработки. Для обработки деталей из стали 316L, полученных методами лазерных аддитивных технологий (LAM), рекомендуется попутное фрезерование [17, 18]. Оно дает лучшее качество поверхности по шероховатости по сравнению со встречным. Снизить износ инструмента и повысить производительность обработки можно за счет использования ультразвукового вибрационного фрезерования при попутном фрезеровании [19–23]. В настоящее время также ведутся работы по совмещению аддитивных и субтрактивных технологий на одном оборудовании [24]. Это позволяет повысить точность изготовления, сократить время работы и уменьшить износ инструмента. Важность определения оптимальных режимов обработки заготовок, полученных аддитивными методами печати проволокой, отмечается в работе [25]. Авторы говорят о том, что стандартные режимы обработки не дают оптимального результата. В целом также авторами [25–28] отмечается, что различное положение заготовки при 3D-печати формирует различные свойства. Вертикально изготовленные заготовки охлаждаются медленнее, чем горизонтально расположенные. В итоге в зависимости от расположения заготовок при печати их свойства будут различны, что окажет влияние на режимы обработки. Поэтому при назначении режимов субтрактивной обработки важно знать особенности изготовления заготовки: это будет напрямую влиять на качество обработки и износ инструмента. Особенно это важно для деталей, изготовленных методом электронно-лучевой печати (EBW). Печать заготовок методом WAAM более массовая в силу своей дешевизны. EBW-методом изготавливают более ответственные детали, такие детали должны обладать более высокой точностью. Поэтому для заготовок, изготовленных методом EBW, крайне важно изучить особенности последующей ректрактивной обработки. Анализ литературы показывает, что работы, посвященные свойствам различно ориентированных напечатанных образцов, есть. Однако работ, показывающих, насколько изменения свойств различно ориентированных напечатанных образцов влияют на режимы субтрактивной обработки, практически нет. Работы, посвященные обработке заготовок, напечатанных методом EBW, практически отсутствуют. Работ, посвященных субтрактивной обработке заготовок, полученных электронно-лучевой печатью, очень мало. Поэтому тема подбора оптимальных режимов обработки заготовок, изготовленных методами WAAM (наплавки проволоки), весьма актуальна. Цель этой работы – путем экспериментов определить закономерности изменения сил при фрезерной обработке заготовок из нержавеющей стали 40Х13, изготовленных электронно-лучевой наплавкой. Материалы и методики Для проведения исследований по фрезерной обработке были получены образцы с помощью технологии электронно-лучевой наплавки проволоки: напечатаны 10 образцов для проведения исследований. Пять образцов было использовано для попутного фрезерования и еще пять образцов – для встречного фрезерования. Размеры образцов составляли 14×70×15 мм (высота × ширина × длина). Исследуемые образцы были напечатаны с помощью стальной проволоки, химический состав которой приведен в табл. 1. Т а б л и ц а 1 Ta b l e 1 Химический состав стали 40Х13 The chemical composition of martensitic steel C Mn Si Ni Cr P S Fe 0,40 0,49 0,54 0,50 13,1 0,020 0,016 остальное
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 4 2023 77 TECHNOLOGY Изготовление образцов с помощью электронно-лучевой установки Образцы были напечатаны на электроннолучевой установке (ЭЛС) наплавки проволокой. Установка разработана и изготовлена в Томском политехническом университете (рис. 1). Рис. 1. Общий вид рабочей камеры установки электронно-лучевой наплавки проволокой Fig. 1. General view of the working chamber of the electron-beam wire surfacing installation Ускоряющее напряжение установки ЭЛС составляет 40 кВ и остается неизменным. Диапазон изменения тока находится в пределах 0–200 мА. Исходным материалом для получения заготовки методом ЭЛС является стальная проволока марки 40Х13 диаметром 1,2 мм. Общая схема печати образцов приведена на рис. 2. При печати образцов использовали следующие режимы: ● круговая развертка луча 3,0–5,0 мм; ● угол подачи для проволоки 45,0°; ● ток луча 30 мА; ● скорость подачи проволоки 700 мм/мин. При печати в качестве материала подложки использовался тот же материал, что и для проволоки, – сталь 40X13. Печать осуществлялась в вакууме при давлении 5⋅10−3 Па. Исследование микроструктуры полученных образцов Травление микроструктуры осуществляли с помощью травителя, представляющего собой смесь концентрированных азотной HNO3 б Рис. 2. Схема печати образца: a – схема печати одного горизонтального слоя; б – схема печати в вертикальном направлении Fig. 2. Scheme for printing a specimen: a – pattern for printing one horizontal layer; б – print pattern in the vertical direction а (67 масс.%) и соляной HCl (33 масс.%) кислот. Соотношение кислот 1:3 по объему. Микроструктуру исследовали с помощью микроскопа MMP-1 (БИОМЕД). Исследование сил резания при фрезеровании Для фрезерования образцов использовался станок с ЧПУ CONCEPTMill 155 (EMCO). Силы резания определяли с помощью динамометра Kistler 9257В (Швейцария). Направления измеряемых сил Fx, Fy и Fz, отображаемых на мониторе динамометра Kistler, соответствуют при фрезеровании силам Ph, Pv и Px . Кроме того, силы Fz и Fy приблизительно соответствуют тангенциальной Pz и радиальной Pу силам при врезании и при выходе зуба из контакта, если t равно половине диаметра фрезы. Для проведения исследовательской работы была выбрана стандартная методика проведения экспериментов по определению сил резания. Однако для определения сил Pz и Py мы делали ряд отступлений от этой методики. Использовалась четырехзубая (z = 4) фреза, и ширина фрезерования была менее 2 мм. Глубина фрезерования t была немного меньше (на 0,2 мм) половины диаметра фрезы d (t ≈ 0,5d – 0,2). Такое отступление от стандартного подхода позволило рассчитать
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1