ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Сплавы на основе никеля, например Inconel 625, широко востребованы благодаря высокой жаропрочности и коррозионной стойкости. Однако их обработка резанием осложняется низкой теплопроводностью материала, склонностью к упрочнению и ускоренному износу инструмента. Аддитивные технологии позволяют получить заготовки, близкие к окончательной форме, но обрабатываемость таких материалов изучена недостаточно, особенно с учётом анизотропии свойств, вызванной условиями синтеза. В связи с этим исследование сил резания, объяснение морфологии стружки и описание причин износа инструмента при фрезеровании аддитивного Inconel 625 является актуальной задачей. Методы и оборудование. Образцы получены методом электронно-лучевого аддитивного производства (EBAM) из проволоки Inconel 625. Фрезерование проводилось твёрдосплавными концевыми фрезами без покрытия. Регистрация сил резания выполнялась с помощью трёхкомпонентного динамометра Kistler 9257BA. Микроструктура, морфология стружки и износ инструмента исследовали методами сканирующей электронной микроскопии с применением энергодисперсионного анализа и путём рентгеноструктурного анализа. Результаты и обсуждение. Установлено, что при встречном фрезеровании силы резания линейно возрастают с увеличением минутной подачи. Скорость резания 23,8 м/мин снижает силы резания в сравнении с 11,9 м/мин, но приводит к росту длины стружки и ухудшению её удаления. Выявлена анизотропия обрабатываемости: силы резания вдоль направления синтеза превышают соответствующие значения при фрезеровании поперёк, что коррелирует с более высоким пределом текучести в продольном направлении. Длина стружки увеличивается с ростом подачи и скорости резания, достигая 1,55 мм при максимальных режимах, при этом стружка теряет скрученность и покрывается трещинами. Доминирующим механизмом износа является адгезионно-усталостный, подтверждённый наличием на прирезцовой поверхности стружки части WC и образованием на режущих кромках фаз Cr₂₃C₆ и NiW. Окислительный износ не играет существенной роли. Рентгеноструктурный анализ показал снижение исходной кристаллографической текстуры в стружке и на обработанной поверхности, а также уширение пиков, свидетельствующее о сильной пластической деформации. Выводы. Определены рациональные режимы фрезерования (скорость резания от 11,9 до 23,8 м/мин, подача не более 200 мм/мин, глубина резания до 1 мм, ширина резания до 7 мм), обеспечивающие работоспособность инструмента. Превышение подачи 250 мм/мин приводит к катастрофическому разрушению режущих кромок. Полученные результаты могут быть использованы для разработки технологических рекомендаций по субтрактивной обработке деталей из аддитивного Inconel 625 EBAM.

1. A review of surface integrity in machining and its impact on functional performance and life of machined products / R. M’Saoubi;, J.C. Outeiro, H. Chandrasekaran, O.W. Dillon Jr., I.S. Jawahir // International Journal of Sustainable Manufacturing. – 2008. – Vol. 1 (1–2). – P. 203–236. – DOI: 10.1504/IJSM.2008.019234.

2. Part functionality alterations induced by changes of surface integrity in metal milling process / C. Yue, H. Gao, X. Liu, S.Y. Liang // Applied Sciences. – 2018. – Vol. 8. – DOI: 10.3390/app8122550.

3. Kaya E., Akyüz B. Effects of cutting parameters on machinability characteristics of Ni-based superalloys // Open Engineering. – 2017. – Vol. 7. – P. 330–342. – DOI: 10.1515/eng-2017-0037.

4. Deshpande Y.V., Andhare A.B., Padole P.M. How cryogenic techniques help in machining of nickel alloys? // Machining Science and Technology. – 2018. – Vol. 22. – P. 543–584. – DOI: 10.1080/10910344.2017.1382512.

5. Experimental investigation on surface integrity of end milling nickel based alloy – Inconel 718 / X. Cai, S. Qin, J. Li, Q. An, M. Chen // Machining Science and Technology. – 2014. – Vol. 18. – DOI: 10.1080/10910344.2014.863627.

6. Dry machining of Inconel 718, workpiece surface integrity / A. Devillez, G. Le Coz, S. Dominiak, D. Dudzinski // Journal of Materials Processing Technology. – 2011. – Vol. 211. – DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2011.04.011.

7. Deshpande et al. Enhancing the machinability of Inconel 625 milling using cryogen and blend of biodegradable oils and application of advanced algorithms / Y.V. Deshpande, S. Binani, A. Singh, M. Mohatkar, A.S. Chatpalliwar, P.S. Barve // Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering. – 2023. – Vol. 45. – Art. 587. – DOI: 10.1007/s40430-023-04509-y.

8. Inconel 625 sustainable milling surface integrity and the dependence on alloy processing route / R.H.L. Silva, J. Schoop, A. Hassui, I.S. Jawahir // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2024. – Vol. 130. – P. 4493–4512. – DOI: 10.1007/s00170-023-12938-1.

9. Akgün M., Demir H. Optimization and finite element modelling of tool wear in milling of Inconel 625 superalloy // Journal of Polytechnic. – 2021. – Vol. 24 (2). – P. 391–400. – DOI: 10.2339/politeknik.706605.

10. Akgün M., Demir H. Estimation of surface roughness and flank wear in milling of Inconel 625 superalloy // Surface Review and Letters. – 2021. – Vol. 28 (4). – DOI: 10.1142/S0218625X21500116.

11. Jarosz K., Patel K.V., Özel T. Mechanistic force modeling in finish face milling of additively manufactured Inconel 625 nickel-based alloy // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2020. – Vol. 111. – P. 1535–1551. – DOI: 10.1007/s00170-020-06222-9.

12. Analytical force modelling for micro milling additively fabricated Inconel 625 / A. Abeni, D. Loda, T. Özel, A. Attanasio // Production Engineering. – 2020. – Vol. 14. – P. 613–627. – DOI: 10.1007/s11740-020-00980-x.

13. Tool life and wear mechanisms during Alloy 625 face milling / M.A. Rodrigues, A. Hassui, R.H.L. Silva, D. Loureiro // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2016. – Vol. 85. – P. 1439–1448. – DOI: 10.1007/s00170-015-8056-4.

14. The effect of finish-milling operation on surface quality and wear resistance of Inconel 625 produced by selective laser melting additive manufacturing / E. Tascioglu, Y. Kaynak, Ö. Poyraz, A. Orhangül, S. Ören // Advanced Surface Enhancement. – Singapore: Springer, 2020. – P. 263–272. – DOI: 10.1007/978-981-15-0054-1_27.

15. Chauhan S., Trehan R., Singh R.P. Classification of surface roughness for CNC face milling of Inconel 625 superalloy utilizing cutting force signal features with SVM and ANN // Materials Today: Proceedings. – 2023. – Vol. 113. – P. 9–18. – DOI: 10.1016/j.matpr.2023.07.101.

16. Energy consumption and economic modelling of performance measures in machining of wire arc additively manufactured Inconel-625 / P. Raval, D. Patel, R. Prajapati, V. Badheka, M.K. Gupta, N. Khanna // Sustainable Materials and Technologies. – 2022. – Vol. 32. – DOI: 10.1016/j.susmat.2022.e00434.

17. Effects of machining parameters on finishing additively manufactured nickel-based alloy Inconel 625 / J. Fei, G. Liu, K. Patel, T. Özel // Journal of Manufacturing Materials Processing. – 2020. – Vol. 4. – DOI: 10.3390/jmmp4020032.

18. Kaynak Y., Tascioglu E. Finish machining-induced surface roughness, microhardness and XRD analysis of selective laser melted Inconel 718 alloy // Procedia CIRP. – 2018. – Vol. 71. – P. 500–504. – DOI: 10.1016/j.procir.2018.05.013.

19. Characterization of Inconel 718® superalloy fabricated by wire arc additive manufacturing: effect on mechanical properties and machinability/ U. Alonso, F. Veiga, A. Suárez, A.G. Del Val // Journal of Materials Research and Technology. – 2021. – Vol. 14. – P. 2665–2676. – DOI: 10.1016/j.jmrt.2021.07.132.

20. Development of a multimaterial structure based on CuAl9MN2 bronze and Inconel 625 alloy by double-wire-feed additive manufacturing / K. Kalashnikov, T. Kalashnikova, V. Semenchuk, E. Knyazhev, A. Panfilov, A. Cheremnov, A. Chumaevskii, S. Nikonov, A. Vorontsov, V. Rubtsov, E. Kolubaev // Metals. – 2022. – Vol. 12 (12). – DOI: 10.3390/met12122048.

21. Структура заготовок из сплава Inconel 625 полученных электродуговой наплавкой и наплавкой с помощью электронного луча / А.Е. Болтрушевич, Н.В. Мартюшев, В.Н. Козлов, Ю.С. Кузнецова // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2024. – Т. 26, № 4. – С. 206–217. – DOI: 10.17212/1994-6309-2024-26.4-206-217.

22. Choi J.G., Yang M.Y. In-process prediction of cutting depths in end milling // International Journal of Machine Tools and Manufacture. – 1999. – Vol. 39 (5). – P. 705–721. – DOI: 10.1016/S0890-6955(98)00067-4.

23. Исследование сил резания и обрабатываемости при фрезеровании порошковой коррозионно-стойкой стали, полученной по технологии прямого лазерного выращивания (LMD) / А.С. Бабаев, В.Н. Козлов, А.Р. Семёнов, А.С. Шевчук, В.А. Овчаренко, Е.А. Сударев // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2024. – Т. 26, № 2. – С. 38–56. – DOI: 10.17212/1994-6309-2024-26.2-38-56.

24. Study of the machinability of an Inconel 625 composite with added NiTi-tib2 fabricated by direct laser deposition / A. Arlyapov, S. Volkov, V. Promakhov, A. Matveev, A. Babaev, A. Vorozhtsov, A. Zhukov // Metals. – 2022. – Vol. 12. – DOI: 10.3390/met12111956.

25. Episodes of chip formation in micro-to-nanoscale cutting of Inconel 625 / M.A. Rahman, M. Rahman, K.S. Woon, M. Mia // International Journal of Mechanical Sciences. – 2021. – Vol. 199. – DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2021.106407.

26. The machinability of stainless steel 316 L fabricated by selective laser melting: Typical cutting responses, white layer and evolution of chip morphology / G. Li, W. Xu, X. Jin, L. Liu, S. Ding, C. Li // Journal of Materials Processing Technology. – 2023. – Vol. 315. – DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2023.117926.

27. Effect of post-deposition heat treatments on high-temperature wear and corrosion behavior of Inconel 625 / E. Kocaman, U. Gürol, A. Günen, G. Çam // Materials Today Communications. – 2025. – Vol. 42. – DOI: 10.1016/j.mtcomm.2024.111101.

28. Experimental study of cutting-parameter and tool life reliability optimization in Inconel 625 machining based on wear map approach / E. Liu, W. An, Z. Xu, H. Zhang // Journal of Manufacturing Processes. – 2020. – Vol. 53. – P. 34–42. – DOI: 10.1016/j.jmapro.2020.02.006.

29. The effect of addition of hBN nanoparticles to nanofluid-MQL on tool wear patterns, tool life, roughness and temperature in turning of Ni-based Inconel 625 / Ç.V. Y?ld?r?m, M. Sar?kaya, T. K?vak, S. Sirin // Tribology International. – 2019. – Vol. 134. – P. 443–456. – DOI: 10.1016/j.triboint.2019.02.027.

30. Tool wear mechanisms in the machining of Nickel based super-alloys: a review / W. Akhtar, J. Sun, P. Sun, W. Chen, Z. Saleem // Frontiers of Mechanical Engineering. – 2014. – Vol. 9. – P. 106–119. – DOI: 10.1007/s11465-014-0301-2.

31. Astakhov V.P. The assessment of cutting tool wear // International Journal of Machine Tools and Manufacture. – 2004. – Vol. 44. – P. 637–647. – DOI: 10.1016/j.ijmachtools.2003.11.006.

32. Degradation modes and tool wear mechanisms in finish and rough machining of Ti17 Titanium alloy under high-pressure water jet assistance / Y. Ayed, G. Germain, A. Ammar, B. Furet // Wear. – 2013. – Vol. 305 (1–2). – P. 228–237. – DOI: 10.1016/j.wear.2013.06.018.

33. Experimental study on the oxidation and diffusion behavior of Inconel 625 and tool materials / E. Liu, N. Wang, J. Qi, Z. Xu, X. Liu, H. Zhang // Crystals. – 2018. – Vol. 8 (12). – DOI: 10.3390/cryst8120471.

34. Study of a methodology for calculating contact stresses during blade processing of structural steel / V. Kozlov, A. Babaev, N. Schulz, A. Semenov, A. Shevchuk // Metals. – 2023. – Vol. 13 (12). – DOI: 10.3390/met13122009.