Obrabotka Metallov / Metal Working and Material ScienceObrabotka Metallov / Metal Working and Material ScienceОбработка металлов (технология • оборудование • инструменты)1994-63092541-819XНовосибирский государственный технический университет35666710.17212/1994-6309-2025-27.4-131-147TECHNOLOGYТЕХНОЛОГИЯResearch ArticleInvestigation of the thermal loading during turning of a metal–composite system as a function of cutting speed, feed rate, and depth when machining a thin-walled 2 mm metal shellИсследование термонагруженности процесса точения металл-композитной системы в зависимости от скорости, подачи и глубины резания при обработке тонкостенной металлической оболочки толщиной 2 ммhttps://orcid.org/0000-0002-6131-321757220289616AAF-5358-20209782-6737LubimyiNikolay S.ЛюбимыйНиколай Сергеевич
Russian Federation

Ph.D. (Engineering), Associate Professor

канд. техн. наук, доцент

nslubim@bk.ruhttps://sciprofiles.com/profile/NickolayLubimyihttps://orcid.org/0000-0003-1801-676756105163000E-5233-20148046-2647ChetverikovBoris S.ЧетвериковБорис Сергеевич
Russian Federation

Ph.D. (Engineering), Associate Professor

канд. техн. наук, доцент

await_rescue@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1995-613957212454175W-4457-20175944-3648KlyuevSergey V.КлюевСергей Васильевич
Russian Federation

D.Sc. (Engineering), Professor

доктор техн. наук, профессор

klyuyev@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2997-3282572017748235230-3519ZagorodniyNikolay A.ЗагороднийНиколай Александрович
Russian Federation

Ph.D. (Engineering), Associate Professor

канд. техн. наук, доцент

n.zagorodnij@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5809-445857415919700JXM-8999-20243387-5740PolshinAndrey A.ПольшинАндрей Александрович
Russian Federation

Laboratory Research Assistant

лаборант-исследователь

info@polshin.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0878-3658590055143004174-6234MaltsevArdalion K.МальцевАрдалион Константинович
Russian Federation

Post-graduate Student

аспирант

ardalion_bgtu@mail.ruhttps://orcid.org/0009-0004-2133-885XOKT-0643-20251598-9839BytsenkoMikhail V.БыценкоМихаил Витальевич
Russian Federation

Student

студент

b.michutka2005@gmail.comBelgorod State Technological University named after V.G. ShukhovБелгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова274VOL 27, NO4 (2025)ТОМ 27, №4 (2025)13114707122025Copyright ©; 2025, Lubimyi N.S., Chetverikov B.S., Klyuev S.V., Zagorodniy N.A., Polshin A.A., Maltsev A.K., Bytsenko M.V.Copyright ©; 2025, Любимый Н.С., Четвериков Б.С., Клюев С.В., Загородний Н.А., Польшин А.А., Мальцев А.К., Быценко М.В.2025Lubimyi N.S., Chetverikov B.S., Klyuev S.V., Zagorodniy N.A., Polshin A.A., Maltsev A.K., Bytsenko M.V.Любимый Н.С., Четвериков Б.С., Клюев С.В., Загородний Н.А., Польшин А.А., Мальцев А.К., Быценко М.В.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://journals.rcsi.science/1994-6309/article/view/356667

Introduction. This paper is devoted to the study of the thermal loading of the turning process for metal–composite systems (MCS) consisting of a thin-walled, additively manufactured metal shell and a metal-polymer filler. The purpose of this study is to investigate the influence of technological turning parameters on the temperature in the cutting zone of metal-composite systems (MCS) with a 2 mm thick metal shell and to determine the permissible machining conditions that prevent thermal degradation of the metal-polymer filler. Methodology. For experimental modeling of the MCS, a hardware-software complex was developed, including a replaceable metal sleeve made of 0.12C18Cr-10Ni-Ti steel, ferrochrome metal–polymer (TU 2257-002-48460567-00), three thermocouples with MAX6675 analog-to-digital converters, and a wireless data transmission module based on an ESP32. The temperature at the metal-metal-polymer interface was recorded in real time. The results were verified using a non-contact method with a FLUKE Ti400 thermal imager (error of 3–5 °C). The experiment was conducted according to a full factorial design 23 + n0 with variation of cutting speed V (m/min), feed rate S (mm/rev), and depth of cut t (mm), including central points for assessing the curvature of the response surface. Results and discussion. Based on the experimental data obtained for the 2 mm shell, a second-order regression model (2T3) was constructed, demonstrating high adequacy. Analysis of the model coefficients showed that the depth of cut t has the greatest influence on the temperature increase, followed by the feed rate S, while the cutting speed V has the least effect within the studied range. Using the model, response surfaces and contour maps were constructed, allowing visualization of safe machining regions that satisfy the constraint T ≤ 170 °C — the heat resistance limit of the metal-polymer. The obtained dependencies provide a basis for standardizing finishing turning parameters for tooling components with additively formed shells and metal-polymer fillers.

Введение. Статья посвящена исследованию термонагруженности процесса точения металл-композитных систем (МКС), состоящих из тонкостенной аддитивно полученной металлической оболочки и металлополимерного заполнителя. Цель работы: исследовать влияние технологических параметров точения на температуру в зоне резания МКС с металлической оболочкой толщиной 2 мм и определить допустимые режимы механической обработки, исключающие термодеструкцию металлополимерного заполнителя. Метод и методология. Для экспериментального моделирования МКС разработан программно-аппаратный комплекс, включающий в себя сменную металлическую втулку из стали 12Х18Н10Т, металлополимер «Феррохром» (ТУ 2257-002-48460567-00), три термопары с аналого-цифровым преобразователем MAX6675 и модуль беспроводной передачи данных на базе ESP32. Температура на межфазной границе «металл – металлополимер» регистрировалась в реальном времени. Верификация результатов проводилась бесконтактным методом с использованием тепловизора FLUKE Ti400 (погрешность 3…5 °C). Эксперимент выполнен по плану полного факторного эксперимента 23 + n0 с варьированием скорости резания V (м/мин), подачи S (мм/об) и глубины резания t (мм), включая центральные точки для оценки кривизны поверхности отклика. Результаты и обсуждение. На основе полученных экспериментальных данных для оболочки толщиной 2 мм построена регрессионная модель второго порядка («2Т3»), демонстрирующая высокую адекватность. Анализ коэффициентов модели показал, что наибольшее влияние на рост температуры оказывает глубина резания t, за ней следует подача S, тогда как скорость резания V в исследованных диапазонах оказывает наименьшее воздействие. С использованием модели построены поверхности отклика и контурные карты, позволяющие визуализировать «безопасные» области режимов обработки, удовлетворяющие ограничению T ≤ 170 °C – порогу термостойкости металлополимера. Полученные зависимости обеспечивают основу для нормирования финишных режимов точения изделий инструментального назначения с аддитивно сформированной оболочкой и металлополимерным заполнителем.

Metal-composite systemsAdditive manufacturingCutting temperatureMetal-polymerTurningМеталл-композитные системыАддитивные технологииТемпература резанияМеталлополимерТочениеFunding This study was supported by grant No. 23-79-10022 from the Russian Science Foundation, https://rscf.ru/project/23-79-10022/ Acknowledgements The study was performed using equipment from the High Technologies Center of BSTU named after V.G. Shukhov.Финансирование: Исследование выполнено при поддержке гранта Российского научного фонда № 23-79-10022, https://rscf.ru/project/23-79-10022/ Благодарности: Исследование выполнено с использованием оборудования на базе Центра высоких технологий БГТУ им. В. Г. Шухова.

Funding

This study was supported by grant No. 23-79-10022 from the Russian Science Foundation, https://rscf.ru/project/23-79-10022/

 

Acknowledgements

The study was performed using equipment from the High Technologies Center of BSTU named after V.G. Shukhov.

Финансирование:

Исследование выполнено при поддержке гранта Российского научного фонда № 23-79-10022, https://rscf.ru/project/23-79-10022/

 

Благодарности:

Исследование выполнено с использованием оборудования на базе Центра высоких технологий БГТУ им. В. Г. Шухова.

Justification of the use of composite metal-metal-polymer parts for functional structures / N.S. Lubimyi, A.A. Polshin, M.D. Gerasimov, A.A. Tikhonov, S.I. Antsiferov, B.S. Chetverikov, V.G. Ryazantsev, J. Brazhnik, I. Ridvanov // Polymers. – 2022. – Vol. 14 (2). – P. 352. – DOI: 10.3390/polym14020352.Zhang K., Cheng G. Three-dimensional high resolution topology optimization considering additive manufacturing constraints // Additive Manufacturing. – 2020. – Vol. 35. – P. 101224. – DOI: 10.1016/j.addma.2020.101224.Reducing the cost of 3D metal printing using selective laser melting (SLM) technology in the manufacture of a drill body by reinforcing thin-walled shell forms with metal-polymers / N.S. Lubimyi, M. Chepchurov, A.A. Polshin, M.D. Gerasimov, B.S. Chetverikov, A. Chetverikova, A.A. Tikhonov, A. Maltsev // Journal of Manufacturing and Materials Processing. – 2024. – Vol. 8 (2). – P. 44. – DOI: 10.3390/jmmp8020044.Adaptive variable design algorithm for improving topology optimization in additive manufacturing guided design / A.V. Morillas, J.M. Alonso, A.B. Caballero, C.C. Sisamón, A. Ceruti // Inventions. – 2024. – Vol. 9 (70). – P. 9040070. – DOI: 10.3390/inventions9040070.Sambo A.M., Younas M., Njuguna J. Insights into machining techniques for additively manufactured Ti6Al4V alloy: A comprehensive review // Applied Sciences. – 2024. – Vol. 14 (22). – P. 10340. – DOI: 10.3390/app142210340.A review of topology optimization for additive manufacturing: Status and challenges / J. Zhu, H. Zhou, C. Wang, L. Zhou, S. Yuan, W. Zhang // Chinese Journal of Aeronautics. – 2021. – Vol. 65. – P. 91–110. – DOI: 10.1016/j.cja.2020.09.020.What is the economic feasibility of manufacturing a metal-metal- polymer composite part compared to other technologies? / N. Lubimyi, V. Voronenko, A. Polshin, M. Gerasimov, S. Antsiferov, O.K. Öztürk, B. Chetverikov, A. Tikhonov, V. Ryazantsev, V. Shumyacher, N. Melentiev // Australian Journal of Mechanical Engineering. – 2022. – Vol. 22 (2). – P. 314–325. – DOI: 10.1080/14484846.2022.2094533.Малышев В.Ф., Дьяченко С.В. Резание труднообрабатываемых сталей. – М.: Машиностроение, 2010. – 248 с.Трент Э.М., Райт П.К. Резание металлов. – М.: Машиностроение, 2001. – 385 с.Effect of the cutting condition and the reinforcement phase on the thermal load of the workpiece when dry turning aluminum metal matrix composites / J.C. Aurich, M. Zimmermann, S. Schindler, P. Steinmann // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2016. – Vol. 82. – P. 1317–1334. – DOI: 10.1007/s00170-015-7444-0.Fixturing technology and system for thin-walled parts machining: a review / H. Liu, C. Wang, T. Li, Q. Bo, K. Liu, Y. Wang // Frontiers of Mechanical Engineering. – 2023. – Vol. 17 (4). – P. 55. – DOI: 10.1007/s11465-022-0711-5.Park J.-K., Lee C.-M., Kim D.-H. Investigation on the thermal effects of WC-Co turning inserts deposited by additive manufacturing of titanium alloy powder // Metals. – 2021. – Vol. 11 (11). – P. 1705. – DOI: 10.3390/met11111705.Sultana M.N., Dhar N.R., Zaman P.B. A review on different cooling/lubrication techniques in metal cutting // American Journal of Mechanics and Applications. – 2019. – Vol. 7. – P. 71–87. – DOI: 10.11648/j.ajma.20190704.11.Machining technology and PVD coatings for milling thin structural parts of Inconel 718 / M. Schiffler, T. Maul, F. Welzel, H. Frank, T. Cselle, A. Lümkemann // SSRN Electronic Journal. – 2020. – Vol. 7. – P. 55–63. – DOI: 10.2139/ssrn.3724144.Taufik M., Jain P.K. A study of build edge profile for prediction of surface rough-ness in fused deposition modeling // Journal of Manufacturing Science and Engineering. – 2016. – Vol. 138 (6). – P. 061002. – DOI: 10.1115/1.4032193.Research on the fabricating quality optimization of the overhanging surface in SLM process / D. Wang, Y. Yang, Z. Yi, X. Su // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2013. – Vol. 65. – P. 1471–1484. – DOI: 10.1007/s00170-012-4271-4.Хоанг В.Ч. Практические вопросы исследования температуры резания при точении // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. – 2015. – № 7-1. – С. 78–84.ЗАО «Металлополимерные материалы ЛЕО». Технические условия ТУ 2257-002-48460567-00. Металлополимер «Ферро-хром». – М., 2009. – URL: http://www.leopolimer.ru/ (дата обращения: 10.11.2025).Целиков П.В., Кисель А.Г. Исследование изнашивания режущего инструмента при точении сплава ТН1 // Системы. Методы. Технологии. – 2025. – № 2 (66). – С. 43–49. – DOI: 10.18324/2077-5415-2025-2-43-49.Бордачев Е.В., Лапшин В.П. Математическое моделирование температуры в зоне контакта инструмента и изделия при токарной обработке металлов // Вестник Донского государственного технического университета. – 2019. – № 2. – С. 130–137. – DOI: 10.23947/1992-5980-2019-19-2-130-137.Jones T., Cao Y. Tool wear prediction based on multisensor data fusion and machine learning // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2025. – Vol. 137. – P. 5213–5225. – DOI: 10.1007/s00170-025-15472-4.Digital twin-driven tool wear monitoring and predicting method for the turning process / K. Zhuang, Z. Shi, Y. Sun, Z. Gao, L. Wang // Symmetry. – 2021. – Vol. 13. – P. 1438. – DOI: 10.3390/sym13081438.Topology optimization methods for additive manufacturing: a review / I.E. Khadiri, M. Zemzami, N. Hmina, M. Lagache, S. Belhouideg // International Journal for Simulation and Multidisciplinary Design Optimization. – 2023. – Vol. 14. – P. 12. – DOI: 10.1051/smdo/2023015.Analysis of the effect of porosity on thermal conductivity with consideration of the internal structure of arbolite / N. Zhangabay, D. Chepela, T. Tursunkululy, A. Zhang-abay, A. Kolesnikov // Construction Materials and Products. – 2024. – Vol. 7 (3). – P. 1–12. – DOI: 10.58224/2618-7183-2024-7-3-4.3D-printed metals: Process parameters effects on mechanical properties of 17-4 PH stainless steel / F.R. Andreacola, I. Capasso, A. Langella, G. Brando // Heliyon. – 2023. – Vol. 9 (7). – P. 17698. – DOI: 10.1016/j.heliyon.2023.e17698.Mechanical characteristics of polymer composites based on epoxy resins with silicon carbide / M.S. Lisyatnikov, D.A. Chibrikin, E.S. Prusov, S.I. Roshchina // Construction Materials and Products. – 2024. – Vol. 7 (5). – DOI: 10.58224/2618-7183-2024-7-5-3.