ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Одной из ключевых тенденций современного машиностроения является разработка гибридного станочного оборудования, интегрирующего механические и поверхностно-термические технологические операции в рамках единой станочной платформы. В контексте концепции Индустрии 4.0 и возрастающих требований к точности, производительности и многофункциональности оборудования особую актуальность приобретает комбинированное электроалмазное шлифование, совмещающее механическое резание алмазными зёрнами с электрохимическим воздействием на инструмент и обрабатываемый материал. Шлифование высокопрочных композиционных материалов на основе диборида циркония (ZrB₂) в обычных условиях сопровождается интенсивным засаливанием алмазных кругов на металлической связке и критическим снижением их режущей способности, что делает традиционный процесс неэффективным. Несмотря на имеющиеся результаты в области электроалмазной обработки, вопросы стадийного формирования режущего рельефа рабочей поверхности круга в условиях непрерывной электрохимической правки, а также механизмы образования оксидных плёнок на элементах связки и их функциональная роль как твёрдых смазок в зоне контакта остаются недостаточно изученными. Цель настоящей работы состоит в установлении закономерностей формирования поверхностного слоя алмазного круга на металлической связке в условиях непрерывной электрохимической правки и дополнительного электрохимического анодного растворения удаляемого припуска при комбинированном шлифовании композиционного материала на основе ZrB₂, а также в обосновании перспективности интеграции данной технологии в концепцию гибридного станочного оборудования. Методы исследования. Эксперименты проводились на модернизированном плоскошлифовальном станке модели РР-600F, оснащённом двумя независимыми электрическими цепями: цепью непрерывной электрохимической правки (плотность тока 0,1…0,6 А/см²) и цепью анодного растворения удаляемого припуска (плотность тока 15…30 А/см²). В качестве инструмента использовались алмазные круги марки АС6 125/100 М1 – 100 % на медно-цинко-алюминиевой связке. Технологическая среда – нитритно-нитратный электролит (NaNO₃ – 3 %, NaNO₂ – 1 %, Na₂CO₃ – 0,5 %). Механические режимы: скорость резания 35 м/с, продольная подача 0,5…2,5 м/мин, глубина резания 0,01…0,04 мм. Исследование топографии поверхности круга и обрабатываемого материала проводилось методами растровой электронной микроскопии с энергодисперсионным спектральным анализом элементного состава. Результаты и обсуждение. Установлено, что непрерывная электрохимическая правка обеспечивает направленное анодное растворение компонентов металлической связки (преимущественно алюминия, меди и цинка), формируя устойчивый режущий рельеф с обнажёнными алмазными зёрнами и межзёрновыми полостями для размещения электролита и продуктов обработки. Показано, что при одновременной работе цепей правки и анодного травления заготовки на поверхности алмазных зёрен и элементах связки формируются оксидные плёнки, выполняющие роль твёрдых смазок и снижающие интенсивность адгезионно-диффузионного взаимодействия в зоне контакта. Реализация дополнительного электрохимического разупрочнения удаляемого припуска обеспечивает снижение сил резания и контактных температур, предотвращая деформационное повреждение поверхностного слоя обрабатываемого изделия. Обосновано, что разработанная технология комбинированного электроалмазного шлифования является технологической основой для проектирования гибридного станочного оборудования, интегрирующего механические и электрохимические воздействия, что отвечает современным требованиям модульности, адаптивности и цифрового управления. Полученные результаты вносят вклад в формирование теоретико-методологического базиса проектирования гибридных металлообрабатывающих систем нового поколения.

1. Hybrid processes in manufacturing / B. Lauwers, F. Klocke, A. Klink, A.E. Tekkaya, R. Neugebauer, D. Mcintosh // CIRP Annals. – 2014. – Vol. 63 (2). – P. 561–583. – DOI: 10.1016/j.cirp.2014.05.003.

2. A review of hybrid manufacturing processes – state of the art and future perspectives / Z. Zhu, V.G. Dhokia, A. Nassehi, S.T. Newman // International Journal of Computer Integrated Manufacturing. – 2013. – Vol. 26 (7). – P. 596–615. – DOI: 10.1080/0951192X.2012.749530.

3. Bulk forming of sheet metal / M. Merklein, J.M. Allwood, B.-A. Behrens, A. Brosius, H. Hagenah, K. Kuzman, K. Mori, A.E. Tekkaya, A. Weckenmann // CIRP Annals. – 2012. – Vol. 61 (2). – P. 725–745. – DOI: 10.1016/j.cirp.2012.05.007.

4. Industry 4.0 and Industry 5.0 – Inception, conception and perception / X. Xu, Y. Lu, B. Vogel-Heuser, L. Wang // Journal of Manufacturing Systems. – 2021. – Vol. 61. – P. 530–535. – DOI: 10.1016/j.jmsy.2021.10.006.

5. Hybrid manufacturing based on the combination of mechanical and electro physical–chemical processes / B. Lauwers, N. Chernovol, B. Peeters, D.V. Camp, T.V. Riel, J. Qian // Procedia CIRP. – 2020. – Vol. 95. – P. 649–661. – DOI: 10.1016/j.procir.2020.11.003.

6. Electrochemical superabrasive machining of a nickel-based aerospace alloy using mounted grinding points / D.T. Curtis, S.L. Soo, D.K. Aspinwall, C. Sage // CIRP Annals. – 2009. – Vol. 58 (1). – P. 173–176. – DOI: 10.1016/j.cirp.2009.03.074.

7. Schuh G., Kreysa J., Orilski S. Roadmap “Hybride Produktion”: Wie 1+1=3-Effekte in der Produktion maximiert werden können // Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb. – 2009. – Vol. 104 (5). – P. 385–391. – DOI: 10.3139/104.110072.

8. Hybrid manufacturing in micro/nano scale: a review / W.-S. Chu, C.-S. Kim, H.-T. Lee, J.-O. Choi, J.-I. Park, J.-H. Song, K.-H. Jang, S.-H. Ahn // International Journal of Precision Engineering and Manufacturing-Green Technology. – 2014. – Vol. 1 (1). – P. 75–92. – DOI: 10.1007/s40684-014-0012-5.

9. Янюшкин А.С. Технология электроалмазного затачивания режущих инструментов и методы ее реализации. – Старый Оскол: ТНТ, 2020. – 336 с. – ISBN 978-5-94178-390-8.

10. Физико-химическое взаимодействие инструментального и обрабатываемого материалов при комбинированном электрохимическом шлифовании / А.С. Янюшкин, О.И. Медведева, С.А. Янюшкин, В.Ю. Попов // Труды Братского государственного университета. Серия: Естественные и инженерные науки – развитию регионов Сибири. – 2012. – Т. 1. – С. 183–190. – EDN: PHEATT.

11. Янюшкин А.С., Архипов П.В. Атомно-молекулярные процессы в зоне алмазного круга и обрабатываемого материала // Технология металлов. – 2010. – № 1. – С. 25–33. – EDN: LATDOH.

12. Кудряшов С.М., Янюшкин А.С., Попов В.Ю. Использование минеральных рассолов для устранения засаленного слоя при комбинированной электроалмазной обработке быстрорежущей стали Р6М5 // Системы. Методы. Технологии. – 2010. – № 2 (6). – С. 109–118. – EDN: NEAKJX.

13. Kostyukevich P.A., Kuzey A.M. Effect of diamond abrasive processing conditions on the structure of the damaged layer of a diamond single crystal // Journal of Friction and Wear. – 2025. – Vol. 46 (1). – P. 33–38. – DOI: 10.3103/S1068366625700278.

14. Malkin S., Guo C. Grinding technology: theory and applications of machining with abrasives. – 2nd ed. – New York: Industrial Press, 2008. – 372 p. – ISBN 978-0831132477.

15. Rowe W.B. Principles of modern grinding technology. – 2nd ed. – Oxford: William Andrew, 2014. – 480 p. – ISBN 978-0-323-24271-4. – DOI: 10.1016/C2013-0-06952-6.

16. Handbook of machining with grinding wheels / I.D. Marinescu, M.P. Hitchiner, E. Uhlmann, W.B. Rowe, I. Inasaki. – 2nd ed. – Boca Raton: CRC Press, 2016. – 725 p. – ISBN 978-1-4822-0670-8.

17. Popov V.Yu., Yanyushkin A.S., Zamashchikov Y.I. Diffusion phenomena in the combined electric diamond grinding // Applied Mechanics and Materials. – 2015. – Vol. 799–800. – P. 291–298. – DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMM.799-800.291.

18. Rapid grinding diamond film using a grinding wheel containing nickel-plated diamond abrasives based on mechanochemical effect / Y. Zhou, Y. Wang, S. Su, L. Zhao, M. Zhao, Y. Yuan, J. Zang, J. Lu, X. Xu, P. Zhang // Diamond and Related Materials. – 2023. – Vol. 139. – P. 110389. – DOI: 10.1016/j.diamond.2023.110389.

19. Johnson K.L. Adhesion and friction between a smooth elastic spherical asperity and plane surface // Proceedings of the Royal Society of London. Series A. – 1997. – Vol. 453. – P. 163–179. – DOI: 10.1098/rspa.1997.0010.

20. Maugis D. Contact, adhesion and rupture of elastic solids. – Berlin; Heidelberg; New York: Springer-Verlag, 2000. – 425 p. – ISBN 978-3-662-04125-3. – DOI: 10.1007/978-3-662-04125-3.

21. Yanyushkin A.S., Rychkov D.A. The process of composite materials machining cutting tools profiling // Procedia Engineering. – 2017. – Vol. 206. – P. 944–949. – DOI: 10.1016/j.proeng.2017.10.576.

22. Попов В.Ю., Хлыстов А.Н., Бондин А.В. Атомная визуализация алмазного резания // Компьютерные исследования и моделирование. – 2016. – Т. 8, № 1. – С. 137–149. – EDN: VSDDAJ.

23. Fahrenholtz W.G., Hilmas G.E. Ultra-high temperature ceramics: materials for extreme environments // Scripta Materialia. – 2017. – Vol. 129. – P. 94–99. – DOI: 10.1016/j.scriptamat.2016.10.018.

24. Saheb N., Hayat U., Syed Fida H. A review of the properties of hybrid ceramic nanocomposites // Boletín de la Sociedad Española de Cerámica y Vidrio. – 2025. – Vol. 64 (3). – P. 100438. – DOI: 10.1016/j.bsecv.2025.03.001.

25. UHTCs: ultra-high temperature ceramic materials for extreme environment applications / E. Wuchina, E. Opila, M. Opeka, B. Fahrenholtz, I. Talmy // The Electrochemical Society Interface. – 2007. – Vol. 16 (4). – P. 30–36. – DOI: 10.1149/2.F04074IF.

26. Experimental research on wear mechanism of diamond wheels for grinding Cf/SiC composites grooves / B. Chen, H. Xu, Y. Guo, B. Guo, G. Liu // Journal of Materials Research and Technology. – 2023. – Vol. 27. – P. 2382–2398. – DOI: 10.1016/j.jmrt.2023.10.085.

27. Янюшкин А.Р., Попов В.Ю., Хлыстов А.Н. Потеря режущей способности алмазных зерен при шлифовании композиционного материала на основе диборида циркония // Системы. Методы. Технологии. – 2025. – № 1 (65). – С. 23–30. – DOI: 10.18324/2077-5415-2025-1-23-30.

28. A vitrified bond diamond grinding wheel prepared by DLP and grinding performance on single crystal silicon wafer / J. Zeng, F. Zhang, P. Gao, W. Yang, X. Pan // Ceramics International. – 2026. – Vol. 52 (8). – P. 9776–9788. – DOI: 10.1016/j.ceramint.2026.01.153.

29. Deng H., Xu Z. Dressing methods of superabrasive grinding wheels: a review // Journal of Manufacturing Processes. – 2019. – Vol. 45. – P. 46–69. – DOI: 10.1016/j.jmapro.2019.06.020.

30. Патент № 2304504 C2 Российская Федерация, МПК B24B 53/00, B23H 3/00. Метод автоматического управления процессом непрерывной электрохимической правки круга и устройство для его осуществления: № 2005102264/02: заявл. 31.01.2005: опубл. 20.08.2007 / А.С. Янюшкин, А.А. Сурьев, Р.А. Иващенко, П.В. Архипов, С.А. Якимов, А.Б. Лосев; заявитель Братский государственный университет. – EDN XHYYWK.

31. Elucidating diamond grinding wheel surface characteristics through integrated optical microscopic reconstruction system / L. Li, B. Li, Z. Lu, D. Duan, X. Wei // Measurement. – 2026. – Vol. 258, pt. B. – P. 119150. – DOI: 10.1016/j.measurement.2025.119150.

32. Rowe W.B., Chen X. Grinding wheel dressing // Rowe W.B., Chen X. Principles of modern grinding technology. – 3rd ed. – William Andrew, 2026. – Ch. 4. – P. 73–95. – DOI: 10.1016/B978-0-443-28936-1.00006-8.

33. Kramer D., Rehsteiner F., Schumacher B. ECD (Electrochemical in-process controlled dressing), a new method for grinding of modern high-performance cutting materials to highest quality // CIRP Annals. – 1999. – Vol. 48 (1). – P. 265–268. – DOI: 10.1016/S0007-8506(07)63180-1.

34. Effect of direct current and pulse plating on the EDM performance of copper-zirconium diboride composites / D. Guo, M. Zhang, Z. Jin, R. Kang // Journal of University of Science and Technology Beijing, Mineral, Metallurgy, Material. – 2007. – Vol. 14 (5). – P. 464–468. – DOI: 10.1016/S1005-8850(07)60091-7.

35. Precision machining of small holes by the hybrid process of electrochemical removal and grinding / D. Zhu, Y.B. Zeng, Z.Y. Xu, X.Y. Zhang // CIRP Annals. – 2011. – Vol. 60 (1). – P. 247–250. – DOI: 10.1016/j.cirp.2011.03.130.

36. Effect of tool-sidewall outlet hole design on machining performance in electrochemical mill-grinding of Inconel 718 / S. Niu, N. Qu, X. Yue, H. Li // Journal of Manufacturing Processes. – 2019. – Vol. 41. – P. 10–22. – DOI: 10.1016/j.jmapro.2019.03.027.

37. Review of manufacturing system design in the interplay of Industry 4.0 and Industry 5.0 (Part II): Design processes and enablers / J. Leng, J. Guo, J. Xie, X. Zhou, A. Liu, X. Gu, D. Mourtzis, Q. Qi, Q. Liu, W. Shen, L. Wang // Journal of Manufacturing Systems. – 2025. – Vol. 79. – P. 528–562. – DOI: 10.1016/j.jmsy.2025.02.005.

38. A review of hybrid manufacturing: integrating subtractive and additive manufacturing / B. Freitas, V. Richhariya, M. Silva, A. Vaz, S.F. Lopes, Ó. Carvalho // Materials (Basel). – 2025. – Vol. 18 (18). – P. 4249. – DOI: 10.3390/ma18184249.

39. Солдатенков И.А. Контактная задача при объемном приложении сил межмолекулярного взаимодействия: функция влияния для неоднородного упругого полупространства // Прикладная математика и механика. – 2018. – Т. 82, № 3. – С. 358–371. – DOI: 10.7868/S0032823518030086.

40. Power and wheel wear for grinding nickel alloy with plated CBN wheels / C. Guo, Z. Shi, H. Attia, D. McIntosh // CIRP Annals. – 2007. – Vol. 56 (1). – P. 343–346. – DOI: 10.1016/j.cirp.2007.05.079.

41. Шоркин В.С., Фроленкова Л.Ю., Азаров А.С. Учет влияния тройного взаимодействия частиц среды на поверхностные и адгезионные свойства твердых тел // Материаловедение. – 2011. – № 2. – С. 2–8. – EDN: NTCHIP.

42. Yu N., Polycarpou A.A. Adhesive contact based on the Lennard–Jones potential: a correction to the value of the equilibrium distance as used in the potential // Journal of Colloid and Interface Science. – 2004. – Vol. 278 (2). – P. 428–435. – DOI: 10.1016/j.jcis.2004.06.029.

43. Sharma A.K., Tiwari A.K., Dixit A.R. Effects of minimum quantity lubrication (MQL) in machining processes using conventional and nanofluid based cutting fluids: a comprehensive review // Journal of Cleaner Production. – 2016. – Vol. 127. – P. 1–18. – DOI: 10.1016/j.jclepro.2016.03.146.

44. Parameter optimization during minimum quantity lubrication milling of TC4 alloy with graphene-dispersed vegetable-oil-based cutting fluid / M. Li, T. Yu, L. Yang, H. Li, R. Zhang, W. Wang // Journal of Cleaner Production. – 2019. – Vol. 209. – P. 1508–1522. – DOI: 10.1016/j.jclepro.2018.11.147.

45. Лифшиц Е.М. Теория молекулярных сил притяжения между твердыми телами. ЖЭТФ, 29, 94, 1955 // Лифшиц Е.М. Избранные труды / под ред. Л.П. Питаевского, Ю.Г. Рудого. – М.: Физматлит, 2004. – С. 306–323. – ISBN 5-9221-0484-5.

46. An investigation of carbon nanofluid minimum quantity lubrication for grinding unidirectional carbon fibre-reinforced ceramic matrix composites / S. Qu, Y. Gong, Y. Yang, W. Wang, C. Liang, B. Han // Journal of Cleaner Production. – 2020. – Vol. 249. – P. 119353. – DOI: 10.1016/j.jclepro.2019.119353.

47. Shaw M.C. Principles of abrasive processing. – Oxford: Clarendon Press, 1996. – 574 p. – ISBN 978-0198590217.

48. Predictive model for minimum chip thickness and size effect in single diamond grain grinding of zirconia ceramics under different lubricating conditions / M. Yang, C. Li, Y. Zhang, D. Jia, R. Li, Y. Hou, H. Cao, J. Wang // Ceramics International. – 2019. – Vol. 45 (12). – P. 14908–14920. – DOI: 10.1016/j.ceramint.2019.04.226.

49. Li H.N., Axinte D. Textured grinding wheels: a review // International Journal of Machine Tools and Manufacture. – 2016. – Vol. 109. – P. 8–35. – DOI: 10.1016/j.ijmachtools.2016.07.001.

50. Mourtzis D., Vlachou E., Milas N. Industrial Big Data as a result of IoT adoption in manufacturing // Procedia CIRP. – 2016. – Vol. 55. – P. 290–295. – DOI: 10.1016/j.procir.2016.07.038.