Том 26 № 4 2024 1 СОДЕРЖАНИЕ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ СОУЧРЕДИТЕЛИ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» ООО НПКФ «Машсервисприбор» ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР Батаев Анатолий Андреевич – профессор, доктор технических наук, ректор НГТУ ЗАМЕСТИТЕЛИ ГЛАВНОГО РЕДАКТОРА Иванцивский Владимир Владимирович – доцент, доктор технических наук Скиба Вадим Юрьевич – доцент, кандидат технических наук Ложкина Елена Алексеевна – редактор перевода текста на английский язык, кандидат технических наук Перепечатка материалов из журнала «Обработка металлов» возможна при обязательном письменном согласовании с редакцией журнала; ссылка на журнал при перепечатке обязательна. За содержание рекламных материалов ответственность несет рекламодатель. 16+ РЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТ Председатель совета Пустовой Николай Васильевич – доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ, член Национального комитета по теоретической и прикладной механике, президент НГТУ, г. Новосибирск (Российская Федерация) Члены совета Федеративная Республика Бразилия: Альберто Морейра Хорхе, профессор, доктор технических наук, Федеральный университет, г. Сан Карлос Федеративная Республика Германия: Монико Грайф, профессор, доктор технических наук, Высшая школа Рейн-Майн, Университет прикладных наук, г. Рюссельсхайм, Томас Хассел, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен, Флориан Нюрнбергер, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен Испания: Чувилин А.Л., кандидат физико-математических наук, профессор, научный руководитель группы электронной микроскопии «CIC nanoGUNE», г. Сан-Себастьян Республика Беларусь: Пантелеенко Ф.И., доктор технических наук, профессор, член-корреспондент НАН Беларуси, Заслуженный деятель науки Республики Беларусь, Белорусский национальный технический университет, г. Минск Украина: Ковалевский С.В., доктор технических наук, профессор, проректор по научно-педагогической работе Донбасской государственной машиностроительной академии, г. Краматорск Российская Федерация: Атапин В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Балков В.П., зам. ген. директора АО «ВНИИинструмент», канд. техн. наук, г. Москва, Батаев В.А., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Буров В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Коротков А.Н., доктор техн. наук, профессор, академик РАЕ, КузГТУ, г. Кемерово, Лобанов Д.В., доктор техн. наук, доцент, ЧГУ, г. Чебоксары, Макаров А.В., доктор техн. наук, член-корреспондент РАН, ИФМ УрО РАН, г. Екатеринбург, Овчаренко А.Г., доктор техн. наук, профессор, БТИ АлтГТУ, г. Бийск, Сараев Ю.Н., доктор техн. наук, профессор, ИФТПС СО РАН, г. Якутск, Янюшкин А.С., доктор техн. наук, профессор, ЧГУ, г. Чебоксары Журнал входит в «Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук». Полный текст журнала «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» теперь можно найти в базах данных компании EBSCO Publishing на платформе EBSCOhost. EBSCO Publishing является ведущим мировым агрегатором научных и популярных изданий, а также электронных и аудиокниг. ИЗДАЕТСЯ С 1999 г. Периодичность – 4 номера в год ИЗДАТЕЛЬ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» Журнал включен в Реферативный журнал и Базы данных ВИНИТИ. Сведения о журнале ежегодно публикуются в международной справочной системе по периодическим и продолжающимся изданиям «Ulrich’s Periodicals Directory» Журнал награжден в 2005 г. Большой Золотой Медалью Сибирской Ярмарки за освещение новых технологий, инструмента, оборудования для обработки металлов Журнал зарегистрирован 01.03.2021 г. Федеральной службой по надзору за соблюдением законодательства в сфере массовых коммуникаций и охране культурного наследия. Свидетельство о регистрации ПИ № ФС77-80400 Индекс: 70590 по каталогу OOO «УП УРАЛ-ПРЕСС» Адрес редакции и издателя: 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, Новосибирский государственный технический университет (НГТУ), корп. 5. Тел. +7 (383) 346-17-75 Сайт журнала http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru Цена свободная Журнал «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» индексируется в крупнейших в мире реферативнобиблиографическихи наукометрических базах данных Web of Science и Scopus.
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 26 № 4 2024 2 СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОЛОГИЯ Маниканта Д.Э., Амбхор Н., Шамкувар С., Гураджала Н.К., Дакарапу С.Р. Исследование влияния гибридных наножидкостей на растительной основе на производительность обработки при токарной обработке с минимальным количеством СОЖ................................................................................................................................... 6 Дама Й.Б., Джоги Б.Ф., Паваде Р., Кулкарни А.П. Влияние направления печати на характер износа PLAбиоматериала, полученного методом FDM: исследование для имплантата тазобедренного сустава......................... 19 Гриненко А.В., Чумаевский А.В., Сидоров Е.А., Утяганова В.Р., Амиров А.И., Колубаев Е.А. Искажение геометрии, окисление кромки, структурные изменения и морфология поверхности реза листового проката толщиной 100 мм из алюминиевых, медных и титановых сплавов при плазменной резке на токе обратной полярности........................................................................................................................................................................... 41 Соматкар А., Двиведи Р., Чинчаникар С. Сравнительная оценка накатывания роликом сплава Al6061-T6 в условиях сухого трения и в условиях смазки минимальным количеством наножидкости....................................... 57 Карлина Ю.И, Конюхов В.Ю., Опарина Т.А. Оценка качества и механических свойств получаемых слоев металла из низкоуглеродистой стали методом WAAM с использованием дополнительной механической и ультразвуковой обработки............................................................................................................................................... 75 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Юсубов Н.Д., Аббасова Х.М. Систематика многоинструментных наладок на станках токарной группы............... 92 Тошов Дж.Б., Фозилов Д.М., Елемесов К.К., Рузиев У.Н., Абдуллаев Д.Н., Басканбаева Д.Д., Бекирова Л.Р. Повышение стойкости зубьев буровых долот за счет изменения технологии их изготовления.................................. 112 Поспелов И.Д. Исследование распределения нормальных контактных напряжений в очагах деформации при горячей прокатке полос из конструкционных низколегированных сталей для повышения стойкости рабочих валков................................................................................................................................................................................... 125 Абляз Т.Р., Блохин В.Б., Шлыков Е.С., Муратов К.Р., Осинников И.В. Изготовление электродов-инструментов с оптимизированной конфигурацией для копировально-прошивной электроэрозионной обработки методом быстрого прототипирования.............................................................................................................................................. 138 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Шуберт А.В., Коновалов С.В., Панченко И.А. Обзор исследований высокоэнтропийных сплавов, их свойств, методов создания и применения.................................................................................................................................. 153 Сюсюка Е.Н., Аминева Е.Х., Кабиров Ю.В., Пруцакова Н.В. Анализ изменения микроструктуры компрессионных колец вспомогательного судового двигателя.................................................................................................... 180 Дударева А.А., Бушуева Е.Г., Тюрин А.Г., Домаров Е.В., Насенник И.Е., Шикалов В.С., Скороход К.А., Легкодымов А.А. Влияние горячей пластической деформации на структуру и свойства поверхностно модифицированных слоев после вневауумной электронно-лучевой наплавки на сталь 12Х18Н9Т с применением порошковой смеси состава 10Cr-30B...................................................................................................................................................... 192 Болтрушевич А.Е., Мартюшев Н.В., Козлов В.Н., Кузнецова Ю.С. Структура заготовок из сплава инконель 625, полученных электродуговой наплавкой и наплавкой с помощью электронного луча......................... 206 Саблина Т.Ю., Панченко М.Ю., Зятиков И.А., Пучикин А.В., Коновалов И.Н., Панченко Ю.Н. Исследование гидрофильности поверхности металлических материалов, модифицированных ультрафиолетовым лазерным излучением........................................................................................................................................................................... 218 МАТЕРИАЛЫ РЕДАКЦИИ 234 МАТЕРИАЛЫ СОУЧЕРЕДИТЕЛЕЙ 243 Корректор Е.Е. Татарникова Художник-дизайнер А.В. Ладыжская Компьютерная верстка Н.В. Гаврилова Налоговая льгота – Общероссийский классификатор продукции Издание соответствует коду 95 2000 ОК 005-93 (ОКП) Подписано в печать 05.12.2024. Выход в свет 16.12.2024. Формат 60×84 1/8. Бумага офсетная. Усл. печ.л. 30,5. Уч.-изд. л. 56,73. Изд. № 165. Заказ 231. Тираж 300 экз. Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Vol. 26 No. 4 2024 3 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL BOARD EDITOR-IN-CHIEF: Anatoliy A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Rector, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation DEPUTIES EDITOR-IN-CHIEF: Vladimir V. Ivancivsky, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Vadim Y. Skeeba, Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Editor of the English translation: Elena A. Lozhkina, Ph.D. (Engineering), Department of Material Science in Mechanical Engineering, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation The journal is issued since 1999 Publication frequency – 4 numbers a year Data on the journal are published in «Ulrich's Periodical Directory» Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working and Material Science”) has been Indexed in Clarivate Analytics Services. Novosibirsk State Technical University, Prospekt K. Marksa, 20, Novosibirsk, 630073, Russia Tel.: +7 (383) 346-17-75 http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru Journal “Obrabotka Metallov – Metal Working and Material Science” is indexed in the world's largest abstracting bibliographic and scientometric databases Web of Science and Scopus. Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working & Material Science”) has entered into an electronic licensing relationship with EBSCO Publishing, the world's leading aggregator of full text journals, magazines and eBooks. The full text of JOURNAL can be found in the EBSCOhost™ databases.
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 26 No. 4 2024 4 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL COUNCIL CHAIRMAN: Nikolai V. Pustovoy, D.Sc. (Engineering), Professor, President, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation MEMBERS: The Federative Republic of Brazil: Alberto Moreira Jorge Junior, Dr.-Ing., Full Professor; Federal University of São Carlos, São Carlos The Federal Republic of Germany: Moniko Greif, Dr.-Ing., Professor, Hochschule RheinMain University of Applied Sciences, Russelsheim Florian Nürnberger, Dr.-Ing., Chief Engineer and Head of the Department “Technology of Materials”, Leibniz Universität Hannover, Garbsen; Thomas Hassel, Dr.-Ing., Head of Underwater Technology Center Hanover, Leibniz Universität Hannover, Garbsen The Spain: Andrey L. Chuvilin, Ph.D. (Physics and Mathematics), Ikerbasque Research Professor, Head of Electron Microscopy Laboratory “CIC nanoGUNE”, San Sebastian The Republic of Belarus: Fyodor I. Panteleenko, D.Sc. (Engineering), Professor, First Vice-Rector, Corresponding Member of National Academy of Sciences of Belarus, Belarusian National Technical University, Minsk The Ukraine: Sergiy V. Kovalevskyy, D.Sc. (Engineering), Professor, Vice Rector for Research and Academic Aff airs, Donbass State Engineering Academy, Kramatorsk The Russian Federation: Vladimir G. Atapin, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Victor P. Balkov, Deputy general director, Research and Development Tooling Institute “VNIIINSTRUMENT”, Moscow; Vladimir A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Vladimir G. Burov, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Aleksandr N. Korotkov, D.Sc. (Engineering), Professor, Kuzbass State Technical University, Kemerovo; Dmitry V. Lobanov, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary; Aleksey V. Makarov, D.Sc. (Engineering), Corresponding Member of RAS, Head of division, Head of laboratory (Laboratory of Mechanical Properties) M.N. Miheev Institute of Metal Physics, Russian Academy of Sciences (Ural Branch), Yekaterinburg; Aleksandr G. Ovcharenko, D.Sc. (Engineering), Professor, Biysk Technological Institute, Biysk; Yuriy N. Saraev, D.Sc. (Engineering), Professor, V.P. Larionov Institute of the Physical-Technical Problems of the North of the Siberian Branch of the RAS, Yakutsk; Alexander S. Yanyushkin, D.Sc. (Engineering), Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary
Vol. 26 No. 4 2024 5 CONTENTS OBRABOTKAMETALLOV TECHNOLOGY Manikanta J.E., Ambhore N., Shamkuwar S., Gurajala N.K., Dakarapu S.R. Investigation of vegetable-based hybrid nanofl uids on machining performance in MQL turning........................................................................................... 6 Dama Y.B., Jogi B.F., Pawade R., Kulkarni A.P. Impact of print orientation on wear behavior in FDM printed PLA Biomaterial: Study for hip-joint implant...................................................................................................................... 19 GrinenkoA.V., ChumaevskyA.V., Sidorov E.A., Utyaganova V.R.,AmirovA.I., Kolubaev E.A. Geometry distortion, edge oxidation, structural changes and cut surface morphology of 100mm thick sheet product made of aluminum, copper and titanium alloys during reverse polarity plasma cutting...................................................................................... 41 Somatkar A., Dwivedi R., Chinchanikar S. Comparative evaluation of roller burnishing of Al6061-T6 alloy under dry and nanofl uid minimum quantity lubrication conditions............................................................................................... 57 Karlina Yu.I., Konyukhov V.Yu., Oparina T.A. Assessment of the quality and mechanical properties of metal layers from low-carbon steel obtained by the WAAM method with the use of additional using additional mechanical and ultrasonic processing..................................................................................................................................................... 75 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Yusubov N.D., Abbasova H.M. Systematics of multi-tool setup on lathe group machines............................................... 92 Toshov J.B., Fozilov D.M., Yelemessov K.K., Ruziev U.N., Abdullayev D.N., Baskanbayeva D.D., Bekirova L.R. Increasing the durability of drill bit teeth by changing its manufacturing technology......................................................... 112 Pospelov I.D. Investigation of the distribution of normal contact stresses in deformation zone during hot rolling of strips made of structural low-alloy steels to increase the resistance of working rolls..................................................... 125 Ablyaz T.R., Blokhin V.B., Shlykov E.S., Muratov K.R., Osinnikov I.V. Manufacturing of tool electrodes with optimized confi guration for copy-piercing electrical discharge machining by rapid prototyping method.......................... 138 MATERIAL SCIENCE Shubert A.V., Konovalov S.V., Panchenko I.A. A review of research on high-entropy alloys, its properties, methods of creation and application.................................................................................................................................................. 153 Syusyuka E.N., Amineva E.H., Kabirov Yu.V., Prutsakova N.V. Analysis of changes in the microstructure of compression rings of an auxiliary marine engine.......................................................................................................... 180 Dudareva A.A., Bushueva E.G., Tyurin A.G., Domarov E.V., Nasennik I.E., Shikalov V.S., Skorokhod K.A., Legkodymov A.A. The eff ect of hot plastic deformation on the structure and properties of surface-modifi ed layers after non-vacuum electron beam surfacing of a powder mixture of composition 10Cr-30B on steel 0.12 C-18 Cr-9 Ni-Ti............................................................................................................................................................................. 192 Boltrushevich A.E., Martyushev N.V., Kozlov V.N., Kuznetsova Yu.S. Structure of Inconel 625 alloy blanks obtained by electric arc surfacing and electron beam surfacing........................................................................................... 206 Sablina T.Y., Panchenko M.Yu., Zyatikov I.A., Puchikin A.V., Konovalov I.N., Panchenko Yu.N. Study of surface hydrophilicity of metallic materials modifi ed by ultraviolet laser radiation........................................................................ 218 EDITORIALMATERIALS 234 FOUNDERS MATERIALS 243 CONTENTS
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 26 № 4 2024 41 ТЕХНОЛОГИЯ Искажение геометрии, окисление кромки, структурные изменения и морфология поверхности реза листового проката толщиной 100 мм из алюминиевых, медных и титановых сплавов при плазменной резке на токе обратной полярности Артем Гриненко 1, a, Андрей Чумаевский 2, b, *, Евгений Сидоров 2, c, Вероника Утяганова 2, d, Алихан Амиров 2, e, Евгений Колубаев 2, f 1 ООО «ИТС-Сибирь», Красноярск, Северное шоссе, 16а, 660118, Россия 2 Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Академический проспект, 2/4, Томск, 634055, Россия a https://orcid.org/0009-0002-9511-1303, giga2011@yandex.ru; b https://orcid.org/0000-0002-1983-4385, tch7av@gmail.com; c https://orcid.org/0009-0009-2665-7514, eas@ispms.ru; d https://orcid.org/0000-0002-2303-8015, veronika_ru@ispms.ru; e https://orcid.org/0000-0002-5143-8235, amir@ispms.tsc.ru; f https://orcid.org/0000-0001-7288-3656, eak@ispms.tsc.ru Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2024 Том 26 № 4 с. 41–56 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2024-26.4-41-56 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 621.791.14 История статьи: Поступила: 17 с ентября 2024 Рецензирование: 01 октября 2024 Принята к печати: 10 октября 2024 Доступно онлайн: 15 декабря 2024 Ключевые слова: Плазменная резка Макроструктура Зона термического влияния Плавление металла Параметры резки Ток обратной полярности Толстолистовой прокат Финансирование Результаты получены при выполнении комплексного проекта «Создание производства высокотехнологичного оборудования адаптивной высокоточной плазменной резки цветных металлов больших толщин для металлургической, авиакосмической и транспортной отраслей РФ» (соглашение о предоставлении субсидии от 06.04.2022 № 075-11-2022-012), реализуемого ИФПМ СО РАН при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках постановления Правительства РФ от 09.04.2010 № 218. Благодарности Исследования частично выполнены на оборудовании ЦКП «Структура, механические и физические свойства материалов» (соглашение с Минобрнауки № 13.ЦКП.21.0034) и ЦКП «НАНОТЕХ» ИФПМ СО РАН. АННОТАЦИЯ Во введении описана целесообразность применения плазменной резки на токе обратной полярности для получения крупногабаритных заготовок цветных металлов толщиной до 100 мм. Приведены данные по применению плазменной резки на токе прямой и обратной полярности толстолистового проката и по основным технологическим проблемам, связанным с ее осуществлением. Цель работы: исследование организации структуры и свойств приповерхностной зоны, а также изменений химического и фазового состава при резке алюминиевых, медных и титановых сплавов. Методами исследования являются оптическая и растровая электронная микроскопия, измерение микротвердости, рентгеноструктурный и энергодисперсионный анализ. Плазменную резку осуществляли при использовании в качестве плазмообразующего и защитного газа воздуха одновременно со впрыском воды в разрядную камеру и формированием вокруг плазменного столба «водяного тумана». Результаты и обсуждение. Показано, что при плазменной резке листового проката на токе обратной полярности большое значение имеет как стабильность горения дуги, так и форма плазменного столба. Искажение геометрии реза при работе в штатном режиме максимально в центральной части, а при недостаточном тепловложении смещается в нижнюю часть и значительно возрастает. Работа плазмотрона на воздухе не приводит к существенным изменениям состава поверхности реза алюминиевого и медного сплавов. Для алюминиевого сплава в поверхностных слоях характерно снижение содержания магния вблизи кромки. Резка титанового сплава сопровождается интенсивным окислением поверхности, особенно в областях затрудненного вытеснения металла из полости реза. Формирование оксидов титана, преимущественно рутила Ti2O, резко повышает значения микротвердости в поверхностных слоях, что негативно влияет на обрабатываемость кромки реза и требует проведения дробеструйной обработки для удаления оксидного слоя. В заключении описаны основные закономерности реализации плазменной резки на токе обратной полярности листового проката алюминиевых, медных и титановых сплавов толщиной 100 мм. Для цитирования: Искажение геометрии, окисление кромки, структурные изменения и морфология поверхности реза листового проката толщиной 100 мм из алюминиевых, медных и титановых сплавов при плазменной резке на токе обратной полярности / А.В. Гриненко, А.В. Чумаевский, Е.А. Сидоров, В.Р. Утяганова, А.И. Амиров, Е.А. Колубаев // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2024. – Т. 26, № 4. – С. 41–56. – DOI: 10.17212/1994-6309-2024-26.4-41-56. ______ *Адрес для переписки Чумаевский Андрей Валерьевич, д.т.н., в.н.с. Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Академический проспект, 2/4, 634055, Томск, Россия Тел.: 8 (382) 228-68-63, e–mail: tch7av@ispms.ru
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 26 № 4 2024 42 ТЕХНОЛОГИЯ Введение В настоящее время перед отечественной промышленностью остро стоит задача, связанная с высокопроизводительным производством заготовок из цветных металлов и сплавов для изготовления крупногабаритных изделий и конструкций. Газопламенная и гидроабразивная резка позволяют резать толстолистовой прокат, но обладают низкой производительностью [1–3]. Лазерная резка имеет высокую производительность, но не позволяет получать заготовки большой толщины [4, 5]. Применяемые виды механической резки металлов не обладают нужной гибкостью для производства изделий сложной формы. Одновременно высокой производительностью и возможностью получать заготовки из толстолистового проката обладает плазменная резка [6–8]. Этот метод хорошо подходит как для сталей и черных металлов [9, 10], так и для медных, алюминиевых и титановых сплавов [11–16]. Плазменной резкой возможно получение заготовок из толстолистового проката, в том числе толщиной 100 мм и более. Однако резка заготовок такой толщины при использовании плазмотронов, работающих на токе прямой полярности, является достаточно затруднительной и сопровождается значительным износом рабочих элементов [17, 18]. К тому же основные имеющиеся на рынке плазмотроны данного типа зарубежного производства и не выпускаются оте чественными предприятиями. В связи с этим требуется разработка альтернативных существующим средств плазменной резки отечественного производства. Для этих целей в настоящее время в рамках совместного проекта ИФПМ СО РАН и ООО «ИТС-Сибирь» происходит разработка оборудования для плазменной резки толстолистового проката цветных металлов и сплавов больших толщин на токе обратной полярности [13–16, 18, 19]. Резка на токе обратной полярности обладает рядом преимуществ в сравнении с прямой полярностью. В первую очередь снижается расход сопел и электродов, входящих в состав плазмотронов [17, 18]. Вторым, но не менее важным фактором, является увеличение возможной к резке толщины листового проката [15]. Плазменная резка на токе обратной полярности обладает большей производительностью при равной мощности в сравнении с прямой полярностью [18, 20–23]. Дополнительно повышается качество поверхности реза и снижается степень структурных изменений от термического воздействия [18]. В то же время плазменная резка более сложна и по отработке режимов [13–16], и по характерным особенностям деградации и износа рабочих элементов плазмотрона [18]. Несмотря на достаточно длительное время использования плазменной резки, в современной литературе практически отсутствует информация о влиянии процесса резки на структуру и качество поверхности реза листового проката толщиной 100 мм и более при использовании плазмотронов, работающих на токе обратной полярности. Целью настоящей работы является изучение организации структуры, искажения кромки, изменения химического и фазового состава при плазменной резке на токе обратной полярности алюминиевых, медных и титановых сплавов. Методика исследований Экспериментальные исследования проводились на производственном участке в ООО «ИТССибирь» и на экспериментальном оборудовании в ИФПМ СО РАН. Процесс резки выполнялся на плазмотроне с обратной полярностью, разрабатываемом в процессе проведения совместного научно-технического проекта. В качестве материала использовали плиты толщиной 100 мм из алюминиевого сплава АМг6, бронзы БрАМц9-2 и титанового сплава ВТ22 в состоянии поставки. Схема работы плазмотрона и процесса плазменной резки приведена на рис. 1, а. Резку плит 1 толщиной 100 мм производили плазменной струей 2, формируемой в среде защитного газа 3 за счет горения пусковой дуги 4 на старте процесса и рабочей дуги 5 непосредственно на рабочем режиме. Подачу защитного и плазмообразующего газа 6 в зону резки производили при фиксированном давлении в системе. Сопло 7 фиксировали гайкой 8. В сопле происходило формирование плотной вихревой струи газа и плазмы 9, образующейся за счет завихрителя 10 и горения дуги. Дополнительно на плазмотроне разрабатываемой конструкции производили впрыск воды 11 в разрядную ка-
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 26 No. 4 2024 43 TECHNOLOGY а б в г д Рис. 1. Схема работы плазмотрона на токе обратной полярности (а); внешний вид плазменной струи на старте (б) и в рабочем режиме (в); повышение плотности «водяного тумана» вокруг плазменной струи при работе (г); внешний вид зоны резки (д): 1 – плита; 2 – плазменная струя; 3 – поток газа; 4 – пусковая дуга; 5 – рабочая дуга; 6 – поток плазмообразующего и защитного газа; 7 – сопло; 8 – внешняя гайка; 9 – вихревые потоки газа и плазмы; 10 – завихритель; 11 – подача воды в полый электрод; 12 – подача охлаждающей воды в корпус плазмотрона; 13 – каналы водяного охлаждения; 14 – электрод; 15 – соленоид; 16 – внутренний корпус из фторопласта; 17 – внешний стальной корпус; 18 – «водяной туман» Fig. 1. Scheme of the reverse polarity plasma torch operation (a); the appearance of the plasma jet at start (б) and in the operating mode (в); an increase in the density of the “water mist” around the plasma jet (г); and the appearance of the cutting zone (д): 1 – plate; 2 – plasma jet; 3 – gas fl ow; 4 – starting arc; 5 – working arc; 6 – fl ow of plasma-forming and protective gas; 7 – nozzle; 8 – external nut; 9 – vortex fl ows of gas and plasma; 10 – swirler; 11 – water supply to the hollow electrode; 12 – supply of cooling water to the plasma torch body; 13 – water cooling channels; 14 – electrode; 15 – solenoid; 16 – inner casing made of PTFE; 17 – outer steel casing; 18 – “water mist”
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 26 № 4 2024 44 ТЕХНОЛОГИЯ меру через отверстие в рабочем электроде 14. Такое положение требовалось для повышения качества реза и снижения износа сопла и электрода [16, 18, 19]. Во избежание перегрева сопла и электрода обеспечивали постоянный поток воды 12 через каналы в корпусе 13. За счет особенностей конструкции плазмотрона поток 13 сначала проходил через сопло и электрод, потом частично на выход из корпуса, а частично в разрядную камеру. Подвод тока к электроду осуществляли через медный соленоид 15, дополнительно формирующий магнитное поле для фокусирования потока плазмы и электрической дуги. Внутренний корпус плазмотрона 16 с каналами подачи воды и воздуха изготовлен из фторопласта, а внешний корпус 17 – из стали. Рабочий электрод 14 и сопло 7 изготовлены из меди марки М1. На старте процесса расстояние между плазмотроном и плитой увеличивали (рис. 1, б), а после стабилизации процесса горения дуги снижали (рис. 1, в). При резке «водяной туман» вокруг плазменной струи значительно изменялся за счет пульсации давления в разрядной камере (рис. 1, в, г). Вокруг зоны реза формировалось большое количество продуктов горения металла, вытесняемых потоком защитного газа (рис. 1, д). Ток электрической дуги при резке составлял от 350 до 370 А, напряжение – от 370 до 400 В, высота плазмотрона над поверхностью плиты при резке – от 16 до 25 мм. Давление газа составляло от 2,0 до 4,0 бар, давление воды в системе до входа в контур охлаждения плазмотрона – 6 бар, зазор между соплом и электродом – от 0,5 до 2,0 мм. Скорость резки – от 250 до 3000 мм/мин. В качестве плазмообразующего и защитного газа использовали воздух. После получения экспериментальных образцов из них электроэрозионным методом (на станке DK7750) производили вырезку металлографических шлифов для структурных исследований. Исследования структуры и морфологии поверхности реза производили на оптическом микроскопе «Альтами МЕТ 1С», лазерном сканирующем микроскопе Olympus LEXT 4100 и растровом электронном микроскопе Zeiss LEO EVO 50, совмещенном с системой для микрорентгеноспектрального анализа. Искажение геометрии реза определяли по максимальному отклонению поверхности реза от перпендикулярности с помощью макроструктурных изображений, полученных методом оптической микроскопии. Результаты и их обсуждение В ходе плазменной резки плит толщиной 100 мм формировалась специфическая структура вблизи поверхности реза и характерный для плазменной резки макрорельеф (рис. 2). На поверхности реза алюминиевого сплава и бронзы присутствует большое количество следов течения металла по поверхности кромки в процессе резки (рис. 2, а, в). Поверхность реза титанового сплава не проявляет настолько выраженных следов течения металла и характеризуется наличием микротрещин (рис. 2, д). Наиболее выражено искажение кромки реза алюминиевого и медного сплавов в центральной части (II на рис. 2, б, г), для титанового сплава – в нижней части кромки (III на рис. 2, д). Наиболее грубый рельеф для образцов всех сплавов наблюдается в нижней части пластины (III), а наиболее однородной является верхняя часть реза (I). В структуре приповерхностной зоны образцов всех трех типов можно выделить области оплавленного металла, зону термического влияния и основной металл с неизмененной структурой. Наименее подвержена термическому воздействию структура бронзы БрАМц9-2, наибольшая величина зоны термического влияния отмечается для сплава ВТ22, а для сплава АМг6 характерна большая толщина зоны оплавленного металла. Как будет показано далее, такое положение обусловлено термическими условиями, составом сплавов, их температурой плавления и теплопроводностью. Поверхность алюминиевого сплава АМг6 после резки проявляет различное строение в верхней, центральной и нижней частях реза (рис. 3, а–в). Более равномерной является верхняя часть, а в нижней содержится большее количество пор и следов окисления. При исследовании микроструктуры выявляется формирование микротрещин (1 на рис. 3, г) и мелких пор сферической формы (2 на рис. 3, г). По данным энергодисперсионного анализа (ЭДС), в поверхностных слоях присутствует достаточно большое количество кислорода. В структуре поверхностного слоя (рис. 4, а–д) выделяются
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 26 No. 4 2024 45 TECHNOLOGY а б в г д е Рис. 2. Поверхность реза (а, в, д) и макроструктура в поперечном сечении (б, г, е) образцов алюминиевого сплава АМг6 (а, б), бронзы БрАМц9-2 (в, г) и титанового сплава ВТ22 (д, е) после плазменной резки на токе обратной полярности Fig. 2. The cut surface (а, в, д) and the macrostructure in the cross section (б, г, е) of specimens of aluminum alloy Al-6 Mg (а, б), bronze Cu-9 Al-2 Mn (в, г) and titanium alloy Ti-5 Al-5 Mo-5 V (д, е) after reverse polarity plasma cutting Рис. 3. Изображения поверхности реза алюминиевого сплава АМг6, полученные методом лазерной сканирующей (а–в) и растровой электронной микроскопии (г–е) Fig. 3. Images of the cut surface of aluminum alloy Al-6 Mg obtained by laser scanning (а–в) and scanning electron (г–е) microscopy а б в г д е зона плавления (ЗП), зона термического влияния (ЗТВ) и основной металл (ОМ). Глубина ЗТВ и ОМ преимущественно не превышает 1 мм в центральной части. Зона плавления содержит большое количество крупных частиц вторичных фаз (1 на рис. 4, г), пор (2 на рис. 4, е, ж) и несплошностей (3 на рис. 4, ж). По данным ЭДСанализа, в зоне плавления содержится лишь небольшое количество кислорода, но значительно изменяется содержание магния, что представлено на рис. 5, б. Выгорание магния для сплавов типа АМг6 является ожидаемым и наблюдается
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1