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 75 ТЕХНОЛОГИЯ Оценка качества и механических свойств получаемых слоев металла из низкоуглеродистой стали методом WAAM с использованием дополнительной механической и ультразвуковой обработки Юлия Карлина 1, a, *, Владимир Конюхов 2, b, Татьяна Опарина 2, c 1 Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет, Ярославское шоссе, 26, г. Москва, 129337, Россия 2 Иркутский национальный исследовательский технический университет, ул. Лермонтова, 83, г. Иркутск, 664074, Россия a https://orcid.org/0000-0001-6519-561X, jul.karlina@gmail.com; b https://orcid.org/0000-0001-9137-9404, konyukhov_vyu@mail.ru; c https://orcid.org/0000-0002-9062-6554, martusina2@yandex.ru Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2024 Том 26 № 4 с. 75–91 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2024-26.4-75-91 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov Введение Достижения технологии аддитивного производства (AM) расширили области ее применения, и AM становится жизнеспособным вариантом для производства полностью функциональных металлических деталей [1–3]. Фактически металлическое AM в настоящее время ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 621.91.002 История статьи: Поступила: 14 сентября 2024 Рецензирование: 08 октября 2024 Принята к печати: 17 октября 2024 Доступно онлайн: 15 декабря 2024 Ключевые слова: Аддитивное производство Электродуговое выращивание WAAM Проволока Структура Ультразвуковое упрочнение Твёрдость Предел текучести Поры Газ АННОТАЦИЯ Введение. Аддитивное производство – это технология, которая позволяет печатать трехмерные (3D) компоненты слой за слоем в соответствии с цифровыми моделями. Полностью отличаясь от традиционных методов изготовления, таких как литье, ковка и механическая обработка, аддитивное производство представляет собой процесс изготовления, близкий к чистой форме, который может значительно расширить свободу проектирования и сократить время выполнения производства. Проблемы обработки материалов в Wire andArcAdditive Manufacturing (WAAM) обусловлены достижением показателей производительности, связанных с геометрическими, физическими и материальными свойствами. Жесткие допуски и строгие требования к целостности поверхности не могут быть достигнуты путем использования автономных технологий AM. Поэтому детали WAAM обычно требуют некоторой постобработки для соответствия требованиям, связанным с отделкой поверхности, размерными допусками и механическими свойствами. Не удивительно, что интеграция AM с технологиями постобработки в одно- и многоустановочные решения по обработке, обычно называемые гибридными AM, стала очень привлекательным предложением для промышленности. Цель работы: провести оценку качества и механических свойств получаемых слоев металла из низкоуглеродистой стали методом WAAM с использованием дополнительной механической и ультразвуковой обработки. Методы исследования. Для наплавки валиков выращиваемой стенки использовался робототехнический комплекс, в состав которого входят источник питания, блок управления, проволокопадающий механизм и горелка. Для ульразвуковой обработки применяли установку «Шмель». Для металлографических исследований использовали оптический и электронный микроскоп. Для выбора оптимальной скорости подачи проволоки и вольтамперной характеристики была выполнена наплавка на каждой регулировочной ступени скорости подачи проволоки и напряжения. Были проведены механические испытания на статистическое растяжение, анализ химического состава и металлографические исследования. Результаты и обсуждение. Газовая пористость является типичным дефектом, который возникает в процессе WAAM и должен быть устранен, поскольку он отрицательно влияет на механические свойства. Первоначально газовая пористость приводит к снижению механической прочности детали из-за повреждений от образования микротрещин. Кроме того, она часто приводит к тому, что осажденный слой имеет худшие усталостные свойства из-за пространственного распределения различных по форме и размеру структур. В наших экспериментах мы установили, что оптимальным показателем является диапазон скоростей подачи проволоки в 5…6 м/мин. Увеличение расхода защитного газа в пределах 8…14 л/мин позволяет снизить пористость в наплавленном металле практически до нуля. Механические свойства наплавленных валиков показывают, что среднее значение предела текучести после механической обработки выше, чем у образцов без обработки. Полученные данные из этих экспериментов хорошо согласуются с данными, представленными в литературе. Результаты настоящего исследования могут быть использованы в реальных технологических процессах WAAM. Для цитирования: 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 // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2024. – Т. 26, № 4. – С. 75–91. – DOI: 10.17212/1994-6309-2024-26.4-75-91. ______ *Адрес для переписки Карлина Юлия Игоревна, к.т.н., научный сотрудник Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет, Ярославское шоссе, 26, 129337, г. Москва, Россия Тел.: +7 914 879-85-05, e-mail: jul.karlina@gmail.com
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 26 № 4 2024 76 ТЕХНОЛОГИЯ применяется в различных отраслях народного хозяйства [3–5]. Одним из способов АМ является технология проволочно-дугового выращивания (Wire and Arc Additive Manufacturing, WAAM). Среди всех существующих методов AM аддитивное производство с использованием проволоки и дуги (WAAM) известно как относительно недорогой метод, который обеспечивает самые высокие скорости осаждения [1–5]. По этой технологии процесс осаждения осуществляется на открытом воздухе с использованием роботизированного манипулятора с закрепленной сварочной горелкой и локализованной экранированной зоной [5–15]. Важной задачей в обеспечении структурной целостности компонентов WAAM является оценка влияния процессов сварки, встроенных в технологию WAAM, на механические свойства и свойства разрушения по сравнению с данными, полученными из деформированного материала. Технология WAAM позволяет создавать детали со сложной топологически оптимизированной геометрией, с внутренними полостями, которые невозможно изготовить с помощью традиционных производственных процессов. Однако в большинстве случаев жесткие допуски и строгие требования к целостности поверхности не могут быть достигнуты путем использования автономных технологий AM. Поэтому детали WAAM обычно требуют некоторой постобработки для соответствия требованиям, связанным с отделкой поверхности, размерными допусками и механическими свойствами. В большинстве работ, посвященных аддитивному производству, описана интеграция AM с технологиями постобработки в одно- или многоустановочные решения по обработке, обычно называемые гибридными AM. Гибридные АМ стали очень привлекательным предложением для промышленности, что увеличило количество работ НИОКР [5–15] с целью развития этого направления. Комбинация аддитивных и субтрактивных методов предлагает возможный метод преодоления этой присущей процессу проблемы. Важно еще понимать, и это показано в многочисленных работах [10–18], что детали АМ могут содержать пустоты или поры из-за захваченного газа или неполного сплавления во время процесса печати и это может ослабить структурную целостность компонента. В работах [4–9] указывают на пример, который был реализован в процессе Shape Deposition Manufacturing (SDM) в Стэнфордском университете и в процессе Controlled Material Buildup (CMB), разработанном в IPTAachen. В этих процессах каждый слой наносится в виде почти чистой формы с использованием термического напыления, в основном лазерной наплавки. Затем слой дополнительно формируется фрезерованием с ЧПУ до чистой формы перед добавлением следующего слоя. В процессах SDM верхняя и боковые поверхности каждого слоя обрабатываются, а затем защищаются путем добавления медной опорной структуры. Эта опорная структура затем удаляется с помощью процесса травления, когда деталь готова. В работе [4] авторы разработали аналогичный подход, 3D-сварку и фрезерование, используя WAAM вместо лазерной наплавки для более быстрого и экономичного нанесения отдельных валиков. В процессе 3D-сварки и фрезерования обычная газовая дуговая сварка металлическим электродом применяется для нанесения отдельных валиков рядом друг с другом. В зависимости от параметров сварки, таких как скорость и мощность, толщина валика варьируется от 0,5 до 1,5 мм. При нанесении слоя его верхняя поверхность обрабатывается для получения гладкой поверхности с определенной толщиной для дальнейшего нанесения. Сочетание этого процесса с торцевым фрезерованием дает явное преимущество в установке толщины слоя от 0,1 до 1 мм. Когда последовательность осаждения и торцевого фрезерования завершена, в той же установке применяется финишная обработка поверхности для удаления оставшихся ступенек на поверхности и повышения точности, близкой к чистой форме металлической детали. До настоящего времени механические свойства и микроструктура углеродистых сталей WAAM не были всесторонне охарактеризованы. Для устранения этого пробела в знаниях авторами работ [19–22] была проведена комплексн ая серия испытаний на растяжение на пластинах из стали WAAM нормальной и высокой прочности, а также исследована микроструктура обеих марок стали. В работах [23, 24] были исследованы наплавленные стенки из малоуглеродистой стали на вязкость разрушения и показано преимущество метода WAAM.
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 26 No. 4 2024 77 TECHNOLOGY В работах [22, 23] обобщаются некоторые применения процесса WAAM, касающиеся источника сварочного тепла, используемого исследователями. Некоторые исследователи пробовали применять для WAAM способ дуговой сварки металлическим электродом в газовой среде (GMAW) [23, 24] в качестве основного инструмента для наплавки из-за его преимуществ, таких как относительно низкое разбрызгивание металла, независимое управление источником тепла и системой подачи проволоки в сочетании с дополнительной механической обработкой [25]. Другие родственные процессы, в которых плазменная горелка используется вместо GTAW, – это гибридное плазменное напыление и фрезерование (HPDM) и быстрое прототипирование на основе микроплазменной дуговой сварки (MPAW) [26, 27]. Во всех рассмотренных выше процессах осаждения металла точный контроль высоты слоя остается проблемой из-за волнообразной природы многопроходного наплавления. Чтобы получить компоненты с точной толщиной слоя, некоторые исследователи объединили фрезерование и наплавление [4–6, 25]. Эти гибридные процессы выполняют операцию фрезерования поверхности после каждого слоя, чтобы обеспечить z-точность. 3D-сварка и фрезерование, разработанные в [4, 5], объединяют наплавление GMAW с обычным процессом фрезерования для производства вставок для литья под давлением [7–12]. В работах [28–30] предлагают дополнительно использовать ультразвуковую обработку изделий, полученных по технологии WAAM. По мнению авторов, это позволит повысить механические свойства выращенных изделий. Многие параметры ультразвуковой дополнительной обработки в процессе WAAM пока еще не оптимизированы и зависят от типа оборудования, частоты, амплитуды и др. В то же время интеграция традиционных субтрактивных технологий с WAAM может обеспечить улучшенную экономию материалов и энергии по сравнению с чистыми субтрактивными подходами. Фактически компоненты WAAM, как правило, демонстрируют высокую структурную целостность, когда параметры процесса оптимизированы, поэтому необходимо выполнять только операции механической обработки. Кроме того, ожидается, что при гибридной технологии будет очень небольшая глубина деформации поверхности. Синергетическая интеграция блока наплавки с ЧПУ-станком независимо от его марки и возраста является ключевым аспектом в гибридной технологии. Интеграция должна быть выполнена таким образом, чтобы наплавка могла действовать как дополнительная функция, не нарушая другие возможности ЧПУ-станка. Во время интеграции изменения в механических и электрических системах производятся без необходимости какой-либо фирменной информации от производителя станка или разработчика системы управления. Однако имеются механические проблемы: первая – это монтаж сварочной горелки сбоку головки шпинделя, чтобы управление наплавкой осуществлялось через тот же контроллер ЧПУ; вторая – необходимость подобрать подходящий механизм для отвода избыточного тепла, выделяемого во время сварки; третья – нужно принять соответствующие меры предосторожности для защиты элементов машины от случайного попадания брызг. Отдельно возникают проблемы с электрикой и управлением: 1) включение/выключение сварочно-наплавочного агрегата через программу ЧПУ; 2) простое и быстрое переключение между режимом наплавки и обычным режимом ЧПУ; 3) исключение любого прямого электрического контакта между контроллером ЧПУ и сварочным агрегатом. Важно понимать, что серийного оборудования для осуществления комплексной (гибридной аддитивной технологии) пока не выпускается, а все работы, выполненные в этой области, связаны с модернизацией станков с ЧПУ, что не всегда оправдано с экономической точки зрения. Относительно простым с методологической точки зрения и требующим минимальных финансовых затрат на оборудование является подход, основанный на использовании раздельно технологии WAAM с другими методами обработки, которые доступны для более широкого круга исследований, с целью изучения свойств полученных материалов. В этой работе представлено исследование характеристик обработки металла, нанесенного методом WAAM с дополнительной механической и ультразвуковой обработкой.
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 26 № 4 2024 78 ТЕХНОЛОГИЯ Цель работы: провести оценку качества и механических свойств слоев металла, получаемых из низкоуглеродистой стали методом WAAM с использованием дополнительной механической и ультразвуковой обработки. Материалы и методы исследований В качестве источника питания для механизированной наплавки в среде защитных газов использовался однофазный аппарат-инвертор KEMPPI Kempomat 1701. В качестве защитного газа использовали смесь аргона (80 %) и СО2 (20 %). Сварочная проволока – Св-08Г2С с медным покрытием диаметром 1,0 мм. Параметры процесса выращивания слоев (рис. 1, а) были определены для обеспечения оптимальной производительности и времени охлаждения между последовательными осаждениями слоев. Количество проходов было определено 5. После каждого прохода проводили механическую обработку поверхности наплавленного валика. Далее осуществляли визуальный контроль с использованием лупы (увеличением 10 крат) для оценки качества поверхности. После контроля наплавлялся новый слой (рис. 1, б). Вариативными параметрами были скорость подачи проволоки и расход защитного газа. Расход газа при проведении экспериментов выбирали в диапазоне 8…12 л/мин. Это необходимо было сделать с целью оценки влияния данного параметра на пористость. При этом другие параметры – ток, скорость подачи проволоки, скорость наплавки – были постоянными. Ультразвуковая обработка проводилась на последнем слое наплавки в течение 1, 5, 10, 15 минут с использованием установки «Шмель Мг». Испытания на растяжение проводились в соответствии с ГОСТ 1497–84. Всего было вырезано по три образца из стальной стенки, изготовленной по стандартной технологии WAAM и гибридной WAAM. Ударная вязкость (KCU) определялась в соответствии с ГОСТ 9454–78 и ГОСТ 6996. Для этого были подготовлены три образца, вырезанные из стальной стенки, изготовленной по стандартной технологии WAAM и гибридной WAAM. После завершения испытаний на ударный изгиб поверхности разрушения испытуемых образцов были исследованы с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) JEOL JIB-Z4500-SEM для сравнения основных видов разрушения, связанных с различными технологиями формирования. Для микроструктурного анализа металлографические образцы были извлечены из стенки вдоль направлений выращивания, отполированы в соответствии со стандартными процедурами до чистоты поверхности 1 мкм, протравлены 4%-м водным раствором азотной кислоты и исследованы с помощью оптического микроскопа «МикроМед 2». Измерения твердости проводились в разных местах и ориентациях стенки, включая нижнюю, среднюю и верхнюю зоны, с использованием микротвердомера Shimadzu HBR-VU-187 с нагрузкой 200 г и временем выдержки 15 с. a б Рис. 1. Схема процесса наплавки валиков (a) и пластина с наплавленным валиками (б) Fig. 1. Schematic diagram of the bead surfacing process (a) and a plate with surfaced beads (б)
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1