Obrabotka Metallov / Metal Working and Material ScienceObrabotka Metallov / Metal Working and Material ScienceОбработка металлов (технология • оборудование • инструменты)1994-63092541-819XНовосибирский государственный технический университет35666410.17212/1994-6309-2025-27.4-80-95TECHNOLOGYТЕХНОЛОГИЯResearch ArticleMathematical analysis of the titanium alloy surface profile under various modes of electromechanical treatmentМатематический анализ профиля поверхности титанового сплава после различных режимов электромеханической обработкиhttps://orcid.org/0000-0002-4800-715157209329802GNP-5426-20223290-7190RomanenkoMikhail D.РоманенкоМихаил Дмитриевич
Russian Federation

Ph.D. (Engineering)

канд. техн. наук

romanenko.mihail2009@yandex.ruhttps://www.vstu.ru/university/personalii/romanenko_mikhail_dmitrievich/https://orcid.org/0000-0001-7177-72457202049526M-8437-20138194-3649ZakharovIgor N.ЗахаровИгорь Николаевич
Russian Federation

D.Sc. (Engineering), Associate Professor

доктор техн. наук, доцент

4zaxap@gmail.comhttps://www.vstu.ru/university/personalii/zakharov_igor_nikolaevich/https://orcid.org/0000-0003-3648-845066035553041691-2822BagmutovVyacheslav P.БагмутовВячеслав Петрович
Russian Federation

D.Sc. (Engineering), Professor

доктор техн. наук, профессор

sopromat@vstu.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9400-7366572168004331364-1834BarinovVladislav V.БариновВладислав Валерьевич
Russian Federation

Senior Engineer

Инженер 1 категории

barinov@vstu.ruhttps://orcid.org/0009-0004-7484-7009MCI-9439-20256194-5190NguyenMinh TuongНгуенМинь Тыонг
Russian Federation

Ph.D. (Engineering)

канд. техн. наук

nguen_m@mirea.ruVolgograd State Technical UniversityВолгоградский государственный технический университетRussian Technological University MIREAРоссийский технологический университет МИРЭА274VOL 27, NO4 (2025)ТОМ 27, №4 (2025)809507122025Copyright ©; 2025, Romanenko M.D., Zakharov I.N., Bagmutov V.P., Barinov V.V., Nguyen T.M.Copyright ©; 2025, Романенко М.Д., Захаров И.Н., Багмутов В.П., Баринов В.В., Нгуен М.Т.2025Romanenko M.D., Zakharov I.N., Bagmutov V.P., Barinov V.V., Nguyen T.M.Романенко М.Д., Захаров И.Н., Багмутов В.П., Баринов В.В., Нгуен М.Т.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://journals.rcsi.science/1994-6309/article/view/356664

Introduction. Currently, many mathematical approaches exist for approximating surface profile curves. Most employ volumetric mathematical expressions to describe surface profile parameters after various types of processing. Purpose of the work is to select a mathematical apparatus that is simple enough from an engineering perspective to approximate the surface profile of VT22 titanium alloy samples after surface plastic deformation (SPD) and various electromechanical processing (EMP) modes, with the possibility of eliminating random technological errors. The paper investigates the effect of EMP modes using alternating and direct current at densities of 100, 300, and 600 A/mm2, considering both the application of force by the deforming tool-electrode (150 N) and its absence (10 N), on the surface geometry of VT22 titanium alloy samples. The electromechanical processing of metal alloys used in this work can significantly change the geometric profile, structure, and operational properties of the surface. Its distinctive feature is the creation of both microdeviations (roughness) and macrodeviations and relief (waviness, “oil pockets”, build-ups from metal surfacing to the repair size) on the surface. Research methods. Profilometric analysis was performed using a PM-7 device, followed by processing of the roughness measurement results using the fast Fourier transform (FFT) on the surface of a cylindrical sample made of VT22 titanium alloy with a diameter of 16 mm after electromechanical rolling with an tool-electrode, previously subjected to semi-finish turning. The error of the model curves of the surface profile was estimated using the Pearson correlation coefficient (R). Results and discussion. The use of high-density direct current helps to obtain a surface with a high relative support length of the profile (98.8%), a low arithmetic mean deviation of the profile (1.9 μm), and an average step of profile irregularities (56 μm). Based on the FFT, the considered modes of electromechanical processing contribute to the formation of profile waviness with different pitch and height. The greatest correlation is observed for modes 2, 4, and 9 (R > 0.7), while the lowest correlation coefficient was noted for EMP with a direct current density of 100 and 300 A/mm2 (modes 5 and 6, R < 0.25).

Введение. В настоящее время существует множество математических подходов для аппроксимации кривой профиля поверхности. В большинстве из них заложены объемные математические выражения для описания параметров профиля поверхности после различных видов обработки. Цель работы: подобрать достаточно простой с инженерной точки зрения математический аппарат для аппроксимации профиля поверхности образцов из титанового сплава ВТ22 после поверхностного пластического деформирования (ППД) и различных режимов электромеханической обработки (ЭМО) с возможностью исключения случайных технологических погрешностей. В работе исследовано влияние режимов ЭМО переменным и постоянным током 100, 300 и 600 А/мм2 с учетом усилия деформирующего электрода-инструмента (150 Н) и без него (10 Н) на геометрию поверхности образцов из титанового сплава ВТ22. Используемая в работе электромеханическая обработка металлических сплавов способна существенно изменять геометрический профиль, структуру и эксплуатационные свойства поверхности. Отличительной ее чертой является создание на поверхности как микроотклонений (шероховатость), так и макроотклонений и рельефа (волнистость, «масляные карманы», наплывы от наплавки металла под ремонтный размер). Методы исследования: профилометрический анализ, выполненный на приборе ПМ-7, и последующая обработка с помощью быстрого преобразования Фурье (БПФ) результатов замера шероховатости поверхности предварительно подвергнутого получистовой токарной обработке цилиндрического образца из титанового сплава ВТ22 диаметром 16 мм после электромеханической обкатки электродом-инструментом. Оценка погрешности модельных кривых профиля поверхности проводилась по коэффициенту корреляции Пирсона (R). Результаты и обсуждение. Показано, что использование постоянного тока высокой плотности способствует получению поверхности с высокой относительной опорной длиной профиля (98,8 %), низким среднеарифметическим отклонением профиля (1,9 мкм) и средним шагом неровности профиля (56 мкм). На основе БПФ показано, что рассмотренные режимы электромеханической обработки способствуют образованию волнистости профиля с различным шагом и высотой. Наибольшая взаимосвязь наблюдается для режимов 2, 4, 9 (R > 0,7), наименьший коэффициент корреляции был отмечен для ЭМО постоянным током плотностью 100 и 300 А/мм2 (режим 5 и 6, R < 0,25).

ProfilogramMicrogeometryFast Fourier transformation (FFT)HarmonicElectromechanical treatmentSurface plastic deformationTitanium alloy VT22ПрофилограммаМикрогеометрияБыстрое преобразование Фурье (БПФ)ГармоникаЭлектромеханическая обработкаПоверхностное пластическое деформированиеТитановый сплав ВТ22Funding The study was carried out with financial support from the Russian Science Foundation (project No. 25-29-20241).Финансирование: Исследование выполнено при финансовой поддержке РНФ (проект № 25-29-20241).

Funding

The study was carried out with financial support from the Russian Science Foundation (project No. 25-29-20241).

Финансирование:

Исследование выполнено при финансовой поддержке РНФ (проект № 25-29-20241).

Хейфец М.Л., Грецкий Н.Л., Премент Г.Б. Технологическое наследование эксплуатационных параметров качества в жизненном цикле деталей двигателя внутреннего сгорания // Наукоемкие технологии в машиностроении. – 2019. – № 7 (97). – С. 35–42. – DOI: 10.30987/article_5cf7bd2fec77a9.13115279.Аверченков В.И., Васильев А.С., Хейфец М.Л. Технологическая наследственность при формировании качества изготавливаемых деталей // Наукоемкие технологии в машиностроении. – 2018. – № 10 (88). – С. 27–32.Optimization of subtractive-transformative hybrid processes supported by the technological heredity concept / W. Grzesik, K. Zak, R. Chudy, M. Prazmowski, J. Malecka // CIRP Annals. – 2019. – Vol. 68 (1). – P. 101–104. – DOI: 10.1016/j.cirp.2019.03.005.Влияние фазового состава титановых сплавов на параметры шероховатости, получаемые в процессе проволочной электроэрозионной обработки / А.А. Федоров, Ю.Е. Жданова, А.В. Линовский, Н.В. Бобков, Ю.О. Бредгауэр // Омский научный вестник. – 2021. – № 4 (178). – С. 18–24. – DOI: 10.25206/1813-8225-2021-178-18-24.Мураткин Г.В., Сарафанова В.А. Влияние технологической наследственности напряженно-деформированного состояния на точность нежестких деталей // Проблемы машиностроения и надежности машин. – 2020. – № 1. – С. 56–64. – DOI: 10.31857/S0235711920010095.Microstructure evolution and electroplasticity in Ti64 subjected to electropulsing-assisted laser shock peening / H. Zhang, Z. Ren, J. Liu, J. Zhao, Z. Liu, D. Lin, R. Zhang, M.J. Graber, N.K. Thomas, Z.D. Kerek, G.-X. Wang, Y. Dong, C. Ye // Journal of Alloys and Compounds. – 2019. – Vol. 802. – P. 573–582. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2019.06.156.Электромеханическое упрочнение металлов и сплавов / В.П. Багмутов, С.Н. Паршев, Н.Г. Дудкина, И.Н. Захаров, А.Н. Савкин, Д.С. Денисевич. – Волгоград: ВолгГТУ, 2016. – 460 с.Аскинази Б.М. Упрочнение и восстановление деталей машин электромеханической обработкой. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1989. – 200 с.Sensitivity of material failure to surface roughness: A study on titanium alloys Ti64 and Ti407 / S. Sneddon, Y. Xu, M. Dixon, D. Rugg, P. Li, D.M. Mulvihill // Materials & Design. – 2021. – Vol. 200. – P. 109438. – DOI: 10.1016/j.matdes.2020.109438.Overview of surface modification techniques for titanium alloys in modern material science: A comprehensive analysis / K. Gao, Y. Zhang, J. Yi, F. Dong, P. Chen // Coatings. – 2024. – Vol. 14 (1). – P. 148. – DOI: 10.3390/coatings14010148.Enhancement of the microstructure and fatigue crack growth performance of additive manufactured titanium alloy parts by laser-assisted ultrasonic vibration processing / S.A. Ojo, K. Manigandan, G.N. Morscher, A.L. Gyekenyesi // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2024. – Vol. 33. – P. 10345–10359. – DOI: 10.1007/s11665-024-09323-8.Amanov A., Yeo I.K., Jeong S.H. Advanced post-processing of Ti6Al4V alloy fabricated by selective laser melting: A study of laser shock peening and ultrasonic nanocrystal surface modification // Journal of Materials Research and Technology. – 2025. – Vol. 35. – P. 4020–4031. – DOI: 10.1016/j.jmrt.2025.02.038.Application of ultrasonic nanocrystal surface modification (UNSM) technique for surface strengthening of titanium and titanium alloys: A mini review / R. Liu, S. Yuan, N. Lin, Q. Zeng, Z. Wang, Y. Wu // Journal of Materials Research and Technology. – 2021. – Vol. 11. – P. 351–377. – DOI: 10.1016/j.jmrt.2021.01.013.Effect of surface roughness on fatigue strength of Ti-6Al-4V alloy manufactured by additive manufacturing / M. Nakatani, H. Masuo, Y. Tanaka, Y. Murakami // Procedia Structural Integrity. – 2019. – Vol. 19. – P. 294–301. – DOI: 10.1016/j.prostr.2019.12.032.Civiero R., Perez-Rafols F., Nicola L. Modeling contact deformation of bare and coated rough metal bodies // Mechanics of Materials. – 2023. – Vol. 179. – P. 104583. – DOI: 10.1016/j.mechmat.2023.104583.Han T., Fan J. Ultrasonic measurement of contact stress at metal-to-metal interface based on a real rough profile through modeling and experiment // Measurement. – 2023. – Vol. 217. – P. 113046. – DOI: 10.1016/j.measurement.2023.113046.A novel comprehensive framework for surface roughness prediction of integrated robotic belt grinding and burnishing of Inconel 718 / B. Qi, X. Huang, W. Guo, X. Ren, H. Chen, X. Chen // Tribology International. – 2024. – Vol. 195. – P. 109574. – DOI: 10.1016/j.triboint.2024.109574.Influence factors and prediction model of surface roughness in single-point diamond turning of polycrystalline soft metal / Z. Xue, M. Lai, F. Xu, F. Fang // Journal of Materials Processing Technology. – 2024. – Vol. 324. – P. 118256. – DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2023.118256.Modeling of surface hardening and roughness induced by turning AISI 4140 QT under different machining conditions / B. Stampfer, J. Bachmann, D. Gauder, D. Böttger, M. Gerstenmeyer, G. Lanza, B. Wolter, V. Schulze // Procedia CIRP. – 2022. – Vol. 108. – P. 293–298. – DOI: 10.1016/j.procir.2022.03.050.Roughness prediction model of milling noise-vibration-surface texture multi-dimensional feature fusion for N6 nickel metal / S. Li, S. Li, Z. Liu, A.V. Petrov // Journal of Manufacturing Processes. – 2022. – Vol. 79. – P. 166–176. – DOI: 10.1016/j.jmapro.2022.04.055.An acoustic dataset for surface roughness estimation in milling process / N.R. Sakthivel, J. Cherian, B.B. Nair, A. Sahasransu, L.N.V.P. Aratipamula, S.A. Gupta // Data in Brief. – 2024. – Vol. 57. – P. 111108. – DOI: 10.1016/j.dib.2024.111108.Surface roughness prediction based on fusion of dynamic-static data / J. Wang, X. Wu, Q. Huang, Q. Mu, W. Yang, H. Yang, Z. Li // Measurement. – 2025. – Vol. 243. – P. 116351. – DOI: 10.1016/j.measurement.2024.116351.Features of changes in the surface structure and phase composition of the of α + β titanium alloy after electromechanical and thermal treatment / V.P. Bagmutov, V.I. Vodopyanov, I.N. Zakharov, A.Y. Ivannikov, A.I. Bogdanov, M.D. Romanenko, V.V. Barinov // Metals. – 2022. – Vol. 12 (9). – P. 1535. – DOI: 10.3390/met12091535.The improved fault location method based on natural frequency in MMC-HVDC grid by combining FFT and MUSIC algorithms / J. He, B. Li, Q. Sun, Y. Li, H. Lyu, W. Wang, Z. Xie // International Journal of Electrical Power & Energy Systems. – 2022. – Vol. 137. – P. 107816. – DOI: 10.1016/j.ijepes.2021.107816.Федоров В.Л. Критерий определения числа гармоник рядов Фурье, аппроксимирующих напряжения и токи трансформатора // Омский научный вестник. – 2018. – № 5 (161). – С. 82–89. – DOI: 10.25206/1813-8225-2018-161-82-89.Конспект лекций по дисциплине «Основы восстановления деталей и ремонт автомобилей» / сост. Г.В. Мураткин. – Тольятти: ТГУ, 2008. – 120 с.Малышко С.Б., Тарасов В.В. Влияние технологических параметров электромеханической обработки на шероховатость поверхности // Проблемы транспорта Дальнего Востока: доклады тринадцатой научно-практической конференции с международным участием. – Владивосток, 2019. – С. 63–65. – EDN TJDMDB.Учкин П.Г. Применение вибронакатывания гильз цилиндров двигателя внутреннего сгорания с целью увеличения их ресурса // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. – 2023. – № 2 (100). – С. 99–105. – DOI: 10.37670/2073-0853-2023-100-2-99-105.Влияние импульсного электромеханического упрочнения на износостойкость подвижных сопряжений / С.Н. Паршев, И.М. Серов, А.В. Зубков, А.В. Коробов // Молодой ученый. – 2015. – № 23 (103), ч. 2. – С. 200–204.Influence of technological modes of combined high-energy treatment on wear resistance of transition class titanium alloy / V.P. Bagmutov, I.N. Zakharov, M.D. Romanenko, V.V. Barinov, V.V. Tikhaeva // Russian Physics Journal. – 2024. – Vol. 67 (10). – P. 1647–1653. – DOI: 10.1007/s11182-024-03294-y.Manus H. An ultra-precise fast Fourier transform // Science Talks. – 2022. – Vol. 4. – P. 100097. – DOI: 10.1016/j.sctalk.2022.100097.Леонов О.А., Вергазова Ю.Г. Относительная опорная длина профиля поверхности и долговечность деталей // Инновационная наука. – 2016. – № 1-2 (13). – С. 81–83.Алиев А.А., Булгаков В.П., Приходько Б.С. Качество поверхности и свойства деталей машин // Вестник Астраханского государственного технического университета. – 2004. – № 1 (20). – С. 8–12.