ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
ТЕХНОЛОГИЯ • ОБОРУДОВАНИЕ • ИНСТРУМЕНТЫPrint ISSN: 1994-6309 Online ISSN: 2541-819X
Введение. Ввиду широкого применения технически чистого α-титана в ответственных изделиях, актуальна задача интенсификации его обработки резанием. Существующие исследования преимущественно сфокусированы на легированных сплавах, в то время как особенности высокоскоростного сухого фрезерования чистого α-Ti изучены недостаточно. Целью работы являлось исследование влияния режимов фрезерования на износ CVD-покрытия (Al2O3/TiCN+TiN) твердосплавных пластин, морфологию стружки и деформационные процессы в поверхностном слое сплава ВТ1-0. Методология. Эксперименты проводились методом торцевого попутного фрезерования в диапазоне скоростей резания (v) 100…300 м/мин, подач (f) 50…100 мм/мин и глубин резания (aр) 0,2…0,4 мм без СОЖ. Состояние режущих кромок и морфология стружки исследовались с помощью СЭМ и EDX. Данные обрабатывались методами корреляционного и регрессионного анализа. Результаты и обсуждение. Установлено, что с ростом скорости резания интенсифицируются адгезионные процессы и термомеханические напряжения, приводящие к локальным сколам и отслоениям CVD-покрытия на передней поверхности. При скорости 300 м/мин наблюдаются значительные налипы материала, формирующие нестабильный нарост. Исследование стружки выявило переход от сливной к элементной форме. Установлена сильная отрицательная корреляция (r = –0,81) между скоростью резания и высотой выступов (h3) на стружке, а также умеренное положительное влияние глубины резания на коэффициент её сплошности (r = 0,55). Полученные результаты значимы для оптимизации режимов высокоскоростной сухой обработки изделий из технически чистого титана, используемых в криогенной технике и теплообменниках. Выводы. Доминирующими механизмами износа являются адгезия и термомеханическое усталостное разрушение покрытия. Предельным режимом, приводящим к интенсивному налипообразованию, является комбинация v = 300 м/мин, f = 100 мм/мин, aр = 0,4 мм. Для снижения износа рекомендуется контроль тепловыделения путём оптимизации скорости резания и глубины фрезерования.
1. Komanduri R. Some clarifications of the mechanics of chip formation when machining titanium alloys // Wear. – 1982. – Vol. 76. – P. 15–34. – DOI: 10.1016/0043-1648(82)90113-2.
2. Influence of cutting tool wear on contact stresses and temperature distribution in titanium alloy machining / V.N. Kozlov, J.Y. Zhang, E. Letshiner, W.Z. Zhao // Key Engineering Materials. – 2017. – Vol. 743. – P. 252–257. – DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.743.252.
3. Kozlov V.N., Zhang J.Y. Strength of cutting tool in titanium alloy machining // Key Engineering Materials. – 2016. – Vol. 685. – P. 427–431. – DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.685.427.
4. Experimental research of milling force and surface quality for TC4 titanium alloy of micro-milling / H. Liu, Y. Sun, Y. Geng, D. Shan // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2015. – Vol. 79. – P. 705–716. – DOI: 10.1007/s00170-015-6844-5.
5. Oliaei S.N., Karpat Y. Investigating the influence of built-up edge on forces and surface roughness in micro scale orthogonal machining of titanium alloy Ti6Al4V // Journal of Materials Processing Technology. – 2016. – Vol. 235. – P. 28–40. – DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2016.04.010.
6. Identification of chatter in milling of Ti-6Al-4V titanium alloy thin-walled workpieces based on cutting force signals and surface topography / J. Feng, Z. Sun, Z. Jiang, L. Yang // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2016. – Vol. 82. – P. 1909–1920. – DOI: 10.1007/s00170-015-7509-0.
7. Mathematical simulation and optimization of cutting modes in turning of titanium alloy workpieces / M. Bogoljubova, A. Afonasov, V. Kozlov, O. Sumtsova // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2016. – Vol. 124. – P. 012045. – DOI: 10.1088/1757-899X/124/1/012045.
8. Rahman M., Wang Z.G., Wong Y.S. A review on high-speed machining of titanium alloys // JSME International Journal. Series C. – 2006. – Vol. 49. – P. 11–20. – DOI: 10.1299/jsmec.49.11.
9. Li L., He N., Xu J.H. Experimental study on high speed milling of Ti alloys // Materials Science Forum. – 2004. – Vol. 471–472. – P. 414–418. – DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.471-472.414.
10. Milling force vibration analysis in high speed milling of Ti alloy using variable pitch angle mill / P. Huang, J. Li, J. Sun, M. Ge // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2012. – Vol. 58. – P. 153–160. – DOI: 10.1007/s00170-011-3380-9.
11. Abele E., Fröhlich B. High speed milling of titanium alloys // Advances in Production Engineering & Management. – 2008. – Vol. 3. – P. 131–140.
12. Tool life and wear mechanisms in high speed machining of Ti-6Al-4V alloy with PCD tools under various coolant pressures / R.B. da Silva, Á.R. Machado, E.O. Ezugwu, J. Bonney, W.F. Sales // Journal of Materials Processing Technology. – 2013. – Vol. 213. – P. 1459–1464. – DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2013.03.008.
13. Research on cutting performance and tool life improvement methods of titanium alloy ultra-high speed milling tools / Q. Wang, X. Chen, Q. An, M. Chen, H. Guo, Y. He // Journal of Manufacturing Processes. – 2024. – Vol. 131. – P. 38–51. – DOI: 10.1016/j.jmapro.2024.09.018.
14. Ullah I., Akinlabi E.T., Songmene V. Thermo-metallo-mechanical based phase transformation modeling for high-speed milling of Ti-6Al-4V through stress-strain and temperature effects // Journal of Materials Research and Technology. – 2024. – Vol. 30. – P. 894–909. – DOI: 10.1016/j.jmrt.2024.03.096.
15. High speed machining of titanium Ti6Al4V alloy components: study and optimisation of cutting parameters using RSM / S. Raghavendra, P.S. Sathyanarayana, S. Selvakumar, V.S. Thangarasu, K.N. Manjunatha // Advances in Materials and Processing Technologies. – 2020. – Vol. 8. – P. 277–290. – DOI: 10.1080/2374068X.2020.1806684.
16. Towards optimization of surface roughness and productivity aspects during high-speed machining of Ti-6Al-4V / A.T. Abbas, N. Sharma, S. Anwar, F.H. Hashmi, M. Jamil, H. Hegab // Materials. – 2019. – Vol. 12. – P. 3749. – DOI: 10.3390/ma12223749.
17. Gao Y., Wang G., Liu B. Chip formation characteristics in the machining of titanium alloys: A review // International Journal of Machining and Machinability of Materials. – 2016. – Vol. 18. – P. 155. – DOI: 10.1504/IJMMM.2016.075467.
18. Jawaid A., Sharif S., Koksal S. Evaluation of wear mechanisms of coated carbide tools when face milling titanium alloy // Journal of Materials Processing Technology. – 2000. – Vol. 99. – P. 266–274. – DOI: 10.1016/S0924-0136(99)00438-0.
19. Zhang Y.P., Xu J.H., Geng G.S. Tool wear and surface integrity in high speed milling of a near alpha titanium alloy // Materials Science Forum. – 2006. – Vol. 532–533. – P. 644–647. – DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.532-533.644.
20. High speed milling of Ti-6Al-4V using coated carbide tools / N. Elmagrabi, C.H.C. Haron, A.G. Jaharah, F.M. Shuaeib // European Journal of Scientific Research. – 2008. – Vol. 22. – P. 153–160.
21. Kumar Khare S., Singh Phull G. Tool wear and surface roughness evaluation of mill insert tools in high-speed machining of Ti-6Al-4 V // Materials Today: Proceedings. – 2023. – DOI: 10.1016/j.matpr.2023.01.297.
22. Ginting A., Nouari M. Experimental and numerical studies on the performance of alloyed carbide tool in dry milling of aerospace material // International Journal of Machine Tools and Manufacture. – 2006. – Vol. 46. – P. 758–768. – DOI: 10.1016/j.ijmachtools.2005.07.032.
23. Denkena B., Biermann D. Cutting edge geometries // CIRP Annals. – 2014. – Vol. 63. – P. 631–653. – DOI: 10.1016/j.cirp.2014.05.009.
24. Denkena B., Koehler J., Rehe M. Influence of the honed cutting edge on tool wear and surface integrity in slot milling of 42CrMo4 steel // Procedia CIRP. – 2012. – Vol. 1. – P. 190–195. – DOI: 10.1016/j.procir.2012.04.033.
25. Jenkins R., Snyder R.L. Introduction to X-ray powder diffractometry. – New York: Wiley, 1996. – 403 p. – ISBN 0-471-51339-3.
26. Stokes A.R., Wilson A.J.C. The diffraction of X-rays by distorted crystal aggregates // Proceedings of the Physical Society. – 1944. – Vol. 56. – P. 174–181. – DOI: 10.1088/0959-5309/56/3/303.
27. Zhang J., Kozlov V.N., Liu S. Influence of wear-resistant coating on the reliability of replaceable inserts in cutting steel // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2020. – Vol. 795. – P. 012023. – DOI: 10.1088/1757-899X/795/1/012023.
28. Calculation of contact stresses during titanium alloy cutting / V.N. Kozlov, J.Y. Zhang, Y.B. Guo, S.K. Sabavath // Key Engineering Materials. – 2018. – Vol. 769. – P. 364–370. – DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.769.364.
29. Cutting temperature in high speed milling of a near alpha titanium alloy / G.S. Geng, J.H. Xu, Y.C. Fu, Y.F. Ge, C. Su // Key Engineering Materials. – 2006. – Vol. 315–316. – P. 145–149. – DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.315-316.145.
30. Pramanik A. Problems and solutions in machining of titanium alloys // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2014. – Vol. 70. – P. 919–928. – DOI: 10.1007/s00170-013-5326-x.
31. Investigation on morphological evolution of chips for Ti6Al4V alloys with the increasing milling speed / H.G. Liu, J. Zhang, Y. Jiang, Y. He, X. Xu, W. Zhao // Procedia CIRP. – 2016. – Vol. 46. – P. 408–411. – DOI: 10.1016/j.procir.2016.03.127.
32. Sun S., Brandt M., Dargusch M.S. Characteristics of cutting forces and chip formation in machining of titanium alloys // International Journal of Machine Tools and Manufacture. – 2009. – Vol. 49. – P. 561–568. – DOI: 10.1016/j.ijmachtools.2009.02.008.
33. Amin A.K.M.N., Ismail A.F., Nor Khairusshima M.K. Effectiveness of uncoated WC–Co and PCD inserts in end milling of titanium alloy – Ti-6Al-4V // Journal of Materials Processing Technology. – 2007. – Vol. 192–193. – P. 147–158. – DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2007.04.095.
34. Chen Y., Chen T. Study on cutting performance in ultrasonic-assisted milling of titanium alloy with circular-arc milling cutters // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2022. – Vol. 120. – P. 415–425. – DOI: 10.1007/s00170-022-08818-9.
35. Analysis of microstructure and chip formation when machining Ti-6Al-4V / I. Shyha, S. Gariani, M.A. El-Sayed, D. Huo // Metals. – 2018. – Vol. 8 (3). – P. 185. – DOI: 10.3390/met8030185.
36. Sun S. Observation and quantitative characterization of geometric and cyclical features associated with chip segmentation during machining of Ti6Al4V alloy // Journal of Materials Processing Technology. – 2025. – Vol. 338. – P. 118794. – DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2025.118794.
37. Kozlov V., Gerasimov A., Kim A. Distribution of contact loads over the flank-land of the cutter with a rounded cutting edge // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2016. – Vol. 124. – P. 012173. – DOI: 10.1088/1757-899X/124/1/012173.
38. Mesquita R.A. Tool steels: Properties and performance. – Boca Raton: CRC Press, 2021. – 257 p. – ISBN 9780367782573.
39. Che-Haron C.H. Tool life and surface integrity in turning titanium alloy // Journal of Materials Processing Technology. – 2001. – Vol. 118. – P. 231–237. – DOI: 10.1016/S0924-0136(01)00926-8.
Финансирование
Исследование выполнено при финансовой поддержке РНФ № 22-79-10353-П.
Благодарности
Авторы выражают благодарность ЦКП ФХМА (ТПУ).
Исследование особенностей образования стружки и износа рабочих площадок фрезерных пластин с CVD-покрытием при высокоскоростной обработке α-Ti / П.М. Пивкин, А.С. Бабаев, Н.Л. Савченко, В.Н. Козлов, А.Р. Семёнов, В.А. Гречишников, Л.А. Уварова, А.Б. Надыкто // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2026. – Т. 28, № 2. – С. 196–222. – DOI: 10.17212/1994-6309-2026-28.2-196-222.
Pivkin P.M., Babaev A.S., Savchenko N.L., Kozlov V.N., Semenov A.R., Grechishinikov V.A., Uvarova L.A., Nadykto A.B. Investigation of the characteristics of chip formation and wear of working surfaces of milling inserts with CVD coating in high-speed α-Ti machining. Obrabotka metallov (tekhnologiya, oborudovanie, instrumenty) = Metal Working and Material Science, 2026, vol. 28, no. 2, pp. 196–222. DOI: 10.17212/1994-6309-2026-28.2-196-222. (In Russian).
