Том 27 № 3 2025 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 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 в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор). 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 27 № 3 2025 2 СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОЛОГИЯ Кондратьев В.В., Гозбенко В.Е., Кононенко Р.В., Константинова М.В., Гусева Е.А. Определение основных параметров контактной точечной сварки алюминиевого сплава АМг-5....................................................................... 6 Гвинджилия В.Е., Фоминов Е.В., Марченко А.А., Лавренова Т.В., Дебеева С.А. Влияние скорости резания на импульсные изменения температуры передней поверхности резца при точении жаропрочной стали 15Х2НМФА.......................................................................................................................................................................... 23 Карелин Р.Д., Комаров В.С., Черкасов В.В., Осокин А.А., Сергиенко К.В., Юсупов В.С., Андреев В.А. Получение прутков и листов из сплава TiNiHf с высокотемпературным эффектом памяти формы методами продольной прокатки и ротационной ковки................................................................................................................................... 37 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Заковоротный В.Л., Гвинджилия В.Е., Кислов К.В. Информационные свойства виброакустической эмиссии в системах диагностики износа режущего инструмента................................................................................................. 50 Жуков А.С., Ардашев Д.В., Батуев В.В., Кулыгин В.Л., Шулежко Е.И. Модальный анализ шлифовальных кругов различных характеристик для определения их интегральных упругих показателей....................................... 71 Нишандар С.В., Пайс А.Т., Багаде П.М. Численное и экспериментальное исследование интенсификации теплообмена в трубах с шероховатой поверхностью....................................................................................................... 87 Носенко В.А., Ривас Перес Д.Э., Александров А.А., Саразов А.В. Влияние способа измельчения на коэффициент формы зерен карбида кремния черного................................................................................................................. 108 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Карлина Ю.И., Конюхов В.Ю., Опарина Т.А. Исследование процесса поверхностного обезуглероживания стали 20 после цементации и термической обработки.............................................................................................. 122 Ковалевская Ж.Г., Лю Ю. Влияние термической обработки на строение и свойства высокоэнтропийного сплава AlCoCrFeNiNb0.25............................................................................................................................................................... 137 Сирота В.В., Прохоренков Д.С., Чуриков А.С., Подгорный Д.С., Алфимова Н.И., Коннов А.В. Коррозионные свойства покрытий из самофлюсующихся порошков, полученных методом детонационного напыления........ 151 Филиппов А.В., Шамарин Н.Н., Тарасов С.Ю., Семенчук Н.А. Влияние структурного состояния на механические и трибологические свойства бронзы системы Cu-Al-Si-Mn.......................................................................... 166 Вахеед Ф., Каюм А., Ширази М.Ф. Изготовление, описание и оценка эффективности материала на основе нанографита, легированного оксидом цинка, в качестве датчика влажности............................................................... 183 Долгова С.В., Маликов А.Г., Голышев А.А., Никулина А.А. Особенности строения градиентных слоев «сталь – Inconel – сталь», полученных методом прямого лазерного выращивания..................................................... 205 Бурков А.А., Дворник М.А., Кулик М.А., Быцура А.Ю. Влияние гранулометрии порошка карбида вольфрама на характеристики металлокерамических покрытий WC/Fe-Ni-Al............................................................................... 221 Патил С., Чинчаникар С. Исследование механических свойств нанокомпозитов на основе сплава Al7075-T6, полученных методом механического замешивания частиц в расплав, с микроструктурным и фрактографическим анализом поверхности........................................................................................................................................................ 236 МАТЕРИАЛЫ РЕДАКЦИИ 252 МАТЕРИАЛЫ СОУЧЕРЕДИТЕЛЕЙ 263 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 08.09.2025. Выход в свет 15.09.2025. Формат 60×84 1/8. Бумага офсетная. Усл. печ.л. 33,0. Уч.-изд. л. 61,38. Изд. № 121. Заказ 199. Тираж 300 экз. Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Vol. 27 No. 3 2025 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. 27 No. 3 2025 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 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. 27 No. 3 2025 5 CONTENTS OBRABOTKAMETALLOV TECHNOLOGY Kondratiev V.V., Gozbenko V.E., Kononenko R.V., Konstantinova M.V., Guseva E.A. Determination of the main parameters of resistance spot welding of Al-5 Mg aluminum alloy..................................................................................... 6 Gvindjiliya V.E., Fominov E.V., Marchenko A.A., Lavrenova T.V., Debeeva S.A. Infl uence of cutting speed on pulse changes in the temperature of the front cutter surface during turning of heat-resistant steel 0.17 C-Cr-Ni-0.6 Mo-V................................................................................................................................................................ 23 Karelin R.D., Komarov V.S., Cherkasov V.V., OsokinA.A., Sergienko K.V., Yusupov V.S., Andreev V.A. Production of rods and sheets from TiNiHf alloy with high-temperature shape memory eff ect by longitudinal rolling and rotary forging methods.................................................................................................................................................................... 37 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Zakovorotny V.L., Gvindjiliya V.E., Kislov K.V. Information properties of vibroacoustic emission in diagnostic systems for cutting tool wear................................................................................................................................................ 50 Zhukov A.S., Ardashev D.V., Batuev V.V., Kulygin V.L., Schuleshko E.I. Modal analysis of various grinding wheel types for the evaluation of their integral elastic parameters...................................................................................... 71 Nishandar S.V., Pise A.T., Bagade P.M. Numerical and experimental investigation of heat transfer augmentation in roughened pipes................................................................................................................................................................ 87 Nosenko V.A., Rivas Perez D.E., Alexandrov A.A., Sarazov A.V. The eff ect of the grinding method on the grain shape coeffi cient of black silicon carbide....................................................................................................................................... 108 MATERIAL SCIENCE Karlina Yu.I., Konyukhov V.Yu., Oparina T.A. Investigation of the process of surface decarburization of steel 20 after cementation and heat treatment.................................................................................................................................. 122 Kovalevskaya Z.G., Liu Y. Eff ect of heat treatment on the structure and properties of high-entropy alloy AlCoCrFeNiNb0.25............................................................................................................................................................. 137 Sirota V.V., Prokhorenkov D.S., Churikov A.S., Podgorny D.S., Alfi mova N.I., Konnov A.V. Corrosion properties of coatings produced from self-fl uxing powders by the detonation spraying method............................................................ 151 Filippov A.V., Shamarin N.N., Tarasov S.Yu., Semenchyuk N.A. The infl uence of structural state on the mechanical and tribological properties of Cu-Al-Si-Mn bronze............................................................................................................. 166 Waheed F., Qayoom A., Shirazi M.F. Fabrication, characterization and performance evaluation of zinc oxide doped nanographite material as a humidity sensor......................................................................................................................... 183 Dolgova S.V., Malikov A.G., Golyshev A.A., Nikulina A.A. Features of the structure of gradient layers «steel - Inconel - steel», obtained by laser direct metal deposition.................................................................................................. 205 Burkov A.A., Dvornik M.A., Kulik M.A., Bytsura A.Yu. The infl uence of tungsten carbide particle size on the characteristics of metalloceramic WC/Fe-Ni-Al coatings.................................................................................................... 221 Patil S., Chinchanikar S. Investigation on the mechanical properties of stir-cast Al7075-T6-based nanocomposites with microstructural and fractographic surface analysis...................................................................................................... 236 EDITORIALMATERIALS 252 FOUNDERS MATERIALS 263 CONTENTS
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 27 № 3 2025 23 ТЕХНОЛОГИЯ Влияние скорости резания на импульсные изменения температуры передней поверхности резца при точении жаропрочной стали 15Х2НМФА Валерия Гвинджилия a, *, Евгений Фоминов b, Андрей Марченко с, Татьяна Лавренова d, Светлана Дебеева e Донской государственный технический университет, пл. Гагарина, 1, г. Ростов-на-Дону, 344000, Россия a https://orcid.org/0000-0003-1066-4604, vvgvindjiliya@donstu.ru; b https://orcid.org/0000-0002-0165-7536, fominoff 83@mail.ru; с https://orcid.org/0000-0003-4028-6712, tobago13@yandex.ru; d https://orcid.org/0000-0002-8283-7730, bys_ka87@mail.ru; e https://orcid.org/0000-0002-2796-2424, sve_tchk@mail.ru Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2025 Том 27 № 3 с. 23–36 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2025-27.3-23-36 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov Введение Одним из главных факторов, определяющих износостойкость инструментального режущего материала, является температура в зоне обработки. Исследованиям, связанным с оценкой и прогнозированием максимальных температур на ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 621.9.06 История статьи: Поступила: 13 апреля 2025 Рецензирование: 25 апреля 2025 Принята к печати: 21 мая 2025 Доступно онлайн: 15 сентября 2025 Ключевые слова: Продольное точение Жаропрочная сталь Кинематические возмущения Температура передней поверхности АННОТАЦИЯ Введение. Статья посвящена оценке влияния периодических флуктуаций параметров режимов обработки на изменение максимальной температуры передней поверхности резца. Предмет. Как флуктуации параметров режимов резания рассматриваются колебания их значений относительно номинального, вследствие чего возникают периодические изменения площади срезаемого слоя и условий взаимодействия стружки с передней поверхностью инструмента, которые влияют на изменение температуры в зоне резания. Цель работы: оценить влияние периодических флуктуаций параметров режимов обработки для различных скоростей резания на изменение максимальной величины температуры передней поверхности резца при точении жаропрочной стали 15Х2НМФА на станке с большим сроком эксплуатации без применения охлаждения. Метод и методология. Исследован процесс чистового продольного точения жаропрочной стали 15Х2НМФА на станке с большим сроком эксплуатации без применения охлаждения. В ходе обработки произведено измерение вибраций инструмента по трём координатным осям при варьировании скорости резания для постоянной глубины резания и подачи. При помощи цифрового имитационного моделирования с использованием входных данных, полученных из натурных экспериментов, выявлены моменты в динамике системы, когда каждый из режимов резания в результате флуктуаций принимает экстремальные значения, а затем определены соответствующие им отклонения максимальной расчётной температуры от номинальной величины. Результаты и обсуждение. Установлено, что при вариации скорости обработки происходит изменение дестабилизирующих тепловое состояние факторов: на низких скоростях в исследованной системе резания основными источниками температурных отклонений являются моменты выхода на экстремальные значения глубины и скорости резания, на более же высоких оборотах максимальный эффект оказывают колебания глубины резания и подачи. Выявлено, что при достижении параметров режимов обработки экстремального значения в большинстве случаев происходит рост мгновенной температуры, при этом обнаружено наличие скоростей резания, для которых такие отклонения минимальны. Для цитирования: Влияние скорости резания на импульсные изменения температуры передней поверхности резца при точении жаропрочной стали 15Х2НМФА / В.Е. Гвинджилия, Е.В. Фоминов, А.А. Марченко, Т.В. Лавренова, С.А. Дебеева // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2025. – Т. 27, № 3. – С. 23–36. – DOI: 10.17212/1994-6309-2025-27.3-23-36. ______ *Адрес для переписки Гвинджилия Валерия Енвериевна, к.т.н., старший преподаватель Донской государственный технический университет, пл. Гагарина, 1, 344000, г. Ростов-на-Дону, Россия Тел.: +7 918 583-23-33, e-mail: vvgvindjiliya@donstu.ru поверхности режущего инструмента, за последние десятилетия посвящено значительное количество научных работ. Предложены экспериментальные методы определения данного параметра путем контактного измерения и анализа теплового излучения [1–3], представлены различные аналитические зависимости для прогнозирования температуры [4–7]. Актуальным направлением также является оценка влияния технологических режимов обработки на температуру в зоне резания. Представленные работы в этой области в большинстве случаев посвящены из-
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 27 № 3 2025 24 ТЕХНОЛОГИЯ учению изменения средней температуры при вариации одного из параметров режимов резания, но воздействие вибраций, генерируемых самой системой при определённых режимах обработки, на характер тепловыделения в контактной зоне не анализируется [8–12]. При этом проводимые исследования показывают, что вибрации режущего инструмента и температура в зоне резания обладают высокой степенью корреляционной связи. Например, в работах Songyuan Li и др. показаны результаты влияния вибраций инструмента на температуру для различных стадий износа инструмента [13]. Qiu Yu и др. также констатируют значительное влияние режимов резания и вибраций инструмента на тепловое состояние в зоне обработки, при этом отмечая, что эта связь характеризуется нелинейными свойствами и зависит от параметров функционирования системы резания [14]. Температура в зоне резания достигает наибольшей величины на конечной границе участка вторичных пластических деформаций (ВПД) передней грани резца. Сопряжение «передняя поверхность инструмента – стружка» представляет собой тяжелонагруженную трибосистему, нагрев рабочей грани резца в которой происходит вследствие вязкой диссипации энергии трения в поверхностном деформируемом микрообъёме стружки. За счёт применения гидродинамических аналогий к оценке деформационных процессов в слое ВПД А.В. Чичинадзе и К.Г. Шучевым получена аналитическая зависимость, описывающая температурное распределение вдоль передней поверхности и позволяющая определить максимальную температуру на этой грани [15]. Параметры функционирования объёмного источника тепловыделения в стружке определяются заданными режимами резания. При этом в результате различных вибрационных возмущений в системе резания одновременно один или несколько из начально заданных параметров обработки (скорость, подача, глубина резания) периодически отклоняются от своих номинальных величин, изменяя комплекс трибодеформационных показателей, которые определяют максимальную мгновенную температуру контакта. В результате переменного характера функционирования источников тепловыделения на передней грани будут иметь место периодически повторяющиеся импульсные изменения мгновенной температуры, связанные с механическими колебаниями исполнительных элементов станка. Конкретное отклонение данного показателя от номинальной величины определяется комплексом значений, которые принимает каждый из параметров режимов обработки в момент флуктуаций. Увеличение амплитуды переменной составляющей температуры приводит к росту градиента температур в режущем клине в целом и усилению нежелательных термотоков. Колебания температуры в участках, прилегающих к зоне первичных пластических деформаций, изменяют характеристики обрабатываемого материала и оказывают влияние на силы резания. Нестабильное тепловое состояние зоны резания и переменный характер теплового нагружения поверхностей резца являются причиной интенсификации окислительного и диффузионного видов изнашивания рабочих граней инструмента [17–19]. При этом термодинамические процессы на передней грани инструмента во многом определяют тепловое состояние и процессы изнашивания на его задней поверхности [20, 21]. Особенно остро негативные температурные эффекты проявляются при сухом резании жаропрочных материалов с низким уровнем теплопроводности [22–24]. Дополнительным фактором, способствующим усилению вибраций резца и росту температуры в зоне обработки, будет служить применение оборудования с длительным сроком эксплуатации, для которого характерны значительные кинематические возмущения со стороны приводов подач и привода главного движения в процессе обработки. Цель работы: оценить влияние периодических флуктуаций параметров режимов обработки, возникающих при различных скоростях резания, на изменение максимальной величины температуры передней поверхности резца при точении жаропрочной стали 15Х2НМФА на станке с большим сроком эксплуатации без применения охлаждения. Методы Натурные испытания проводились в производственных условиях (завод «Атоммаш», г. Волгодонск) на универсальном токарном станке ДИП-300. Наружное продольное точение заготовок диаметром 109 мм и длиной 400 мм из
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 27 No. 3 2025 25 TECHNOLOGY стали 15Х2НМФА выполнялось твёрдосплавными пластинами Т15К6 со следующей геометрией режущей части: передний угол γ = 6°, задний угол α = 6°, главный угол в плане φ = 95°, радиус при вершине пластины r = 0,5 мм. Точение осуществлялось при подаче s = 0,198 мм/об, глубина резания составляла t = 0,5 мм на сторону, обороты шпинделя n = 630…1000 об/мин (скорость резания V = 215,5…343,6 м/мин). Заготовки были центрированы и предварительно проточены. Для повышения жесткости подсистемы заготовки использовался усиленный прецизионный вращающийся задний центр BISON 8814-5 NC PRECISION 20/30. В качестве основных информационных каналов о динамике процесса резания были выбраны вибрации инструмента, измеренные в направлениях его подвижности, так как они в большей степени влияют на флуктуации технологических режимов. Для снятия вибраций инструмента использовался стенд, состоящий из трех акселерометров модели А603С01, аналогово-цифрового преобразователя LCard E20-10 с частотой дискретизации входящего сигнала до 10 МГц, ICP-преобразователь ВТК-2-010 для усиления и пропорционального преобразования сигналов виброускорений в переменное напряжение с частотным диапазоном 0,1…50 000 Гц (рис. 1). Частота дискретизации сигнала – 10 кГц на канал. Запись сигналов производилась с помощью программного обеспечения L-Graph II, обработка экспериментальных данных и идентификация параметров цифровой модели процесса резания осуществлялась с применением программного обеспечения Matlab и Simulink. Модель динамической системы резания представлена в виде совокупности трех взаимосвязанных подсистем. Первая из них обеспечивает движение резца относительно заготовки, т. е. задает технологические режимы резания, а также инерционно-диссипативные свойства системы. Вторая подсистема задает упругие деформации и силы резания, действующие на инструмент. Третья подсистема реализует блок формирования неуправляемых возмущений, источником которых являются кинематические возмущения со стороны приводной системы станка и биения шпиндельного узла [25]. При моделировании динамики процесса обработки формирование значений параметров скорости резания V, подачи s и глубины резания t осуществлялось следующим образом. Для каждого из параметров они определялись суммой значения, заданного системой управления (V0, s0, t0), деформационных смещений { , , }, X Y z H Η = Η Η мм, скоростей деформационных смещений / { , , }, X Y z dH d η= τ = η η η мм/с, а также вибрационных возмущений { , , }, X Y z Δ = Δ Δ Δ мм. Вибрационные возмущения по своей структуре являются периодическими функциями времени и могут быть представлены в виде 1 1 ( ) sin( ); ( ) / cos( ), k i n n n k i i n n n n A d d A = Δ = Δ τ = ω τ ν τ = Δ τ = ω ω τ ∑ ∑ (1) Рис. 1. Общий вид оборудования для исследования: a – виброакселерометры (1); б – система непрерывного вибрационного контроля инструмента: АЦП E20-10 (2) и ICP-преобразователь ВТК-2-010 (3) Fig. 1. General view of the equipment for the study: а – vibration accelerometers (1); б – continuous vibration monitoring system of the tool: ADC E20-10 (2) and ICP transducer VTK-2-010 (3) а б
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 27 № 3 2025 26 ТЕХНОЛОГИЯ где ω , n n A – соответственно амплитуды и частоты осцилляторов, возмущающих движение инструмента в направлениях движения инструмента i = {X, Y, Z}, определяемые экспериментальным путем. Итоговое представление технологических режимов резания моделировалось в следующем виде: 0 0 0 ; ( ) ; , Z Z x X X Y Y V V s V d t t H Δ τ Δ τ−τ = − η +ν = − η +ν τ = − + Δ ∫ (2) где τ0 = 1/Ω – время одного оборота детали, с; Ω – частота оборота детали, Гц; Vx – скорость движения подачи, Vx = s0Ω, мм/с. Расчёт максимальной температуры контакта на передней поверхности для каждого из сочетаний значений параметров V, s и t, которые они принимают в моменты флуктуаций из-за вибраций инструмента, осуществлялось по аналитической зависимости Чичинадзе – Шучева [15] 01 02 1 3 1 1 2 2 3 2 1 1 1 2 2 2 2 2 2 1 1 2 exp C C C C T l k m k a V l l l k a k a k a V V V ω ω ⎛ = + × ⎜ + ⎜⎜ ⎝ ⎛ ⎛ ⎞ × + − − × ⎜ ⎜ ⎟ ⎜ π ⎝ ⎠ ⎝ теплопроводности твёрдого сплава и материала заготовки соответственно, Вт/м·°С; Vc – скорость движения стружки по передней поверхности, м/с; Tпл – температура плавления материала заготовки, °C; k – температурный коэффициент, °C, k = 7,143·10–4T пл; h – средняя толщина пластически деформированного слоя в стружке, м; TH – разница температур внутри пластически деформированного слоя, °C; l1 – длина участка ВПД на передней поверхности, м; 1 1 1 1 1 ; m A P α = ⎛ ⎞ λ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ А1 – площадь трибоконтакта на участке ВПД, м 2; P1 – периметр трибоконтакта на участке ВПД, м; α1 – коэффициент теплоотдачи инструментального материала, м2/°C. Для определения средней толщины зоны ВПД применялась эмпирическая зависимость [26]: 1 ïë kl h T τ = λ2 . (4) Для учета влияния изменения сил резания в моменты флуктуаций на величину параметров τk и h средние касательные напряжения на передней поверхности определялись как τk = FXY/Ak, Па, где FXY – результирующая сила резания для продольного (X) и радиального (Y) направлений; Ak – общая площадь контакта стружки с передней поверхностью, Ak = 2l1b. Значения длины контакта l1 и ширины срезаемого слоя b определялись по методикам [27] и [28] соответственно. Результаты и их обсуждение Проведены анализ и обработка данных колебательных ускорений, записанных с помощью вибродатчиков. Вычислены колебательная скорость и смещение инструмента относительно детали. На рис. 2 представлена вибрационная характеристика процесса резания в продольном направлении, отвечающем за вариации площади срезаемого слоя. По спектральным характеристикам данных измерительного комплекса установлены доминирующие частотные составляющие системы и кинематических возмущений. Вибрационные характеристики на примере суппортной группы представляют собой широкополосный сигнал. Анализ низкочастотного 1 1 2 2 2 1 1 1 2 2 erfc , C C l k a m l V a V − ⎛ ⎞ ⎜ ⎟ ⎞ ⎞ ⎛ ⎞ λ ⎜ ⎟ ⎟ ⎟ × λ + ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎟ ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ ⎠ π ⎠ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ (3) где ω01 – максимальная объемная плотность источника тепловыделения от сил трения в теле инструмента, Вт/м3; ω = ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ − − ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ 0 02 ïë ïë 1 exp H H q kt T t h k T – начальная плотность источника тепловыделения в обрабатываемом материале, Вт/м3; q 0 – удельная мощность трения для передней поверхности, Вт/м2; k 1, k2 – коэффициенты локализации источника тепло поглощения для инструментального и обраба тываемого материала соответственно, м–1; a 2 – коэффициент температуропроводности заготовки, м2/с; λ 1, λ1 – коэффициенты
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 27 No. 3 2025 27 TECHNOLOGY диапазона показывает, что в спектре колебаний суппортной группы можно выделить три основные частоты. Первая из них совпадает с частотой биений шпиндельной группы. Остальные, в том числе и в среднечастотном диапазоне, являются составляющими кинематических возмущений. На основе полученных данных произведено моделирование динамики процесса резания с учетом влияния вибрационных возмущений (1) [29]. Примеры динамики сил резания для различных скоростей резания изображены на рис. 3. Диапазон включает в себя как скорости, используемые в натурных опытах на станке (V = 216 м/мин, V = 270 м/мин, V = 343 м/мин), так и промежуточные значения, полученные имитационным цифровым моделированием. С точки зрения динамики силовых показателей процесса резания верхней границей оптимального диапазона частоты оборота детали будут значения ниже первой частотной составляющей кинематических возмущений (12,5 Гц (рис. 2)), т. е. n < 700 об/мин или V < 252 м/мин. Частоты n = 800 об/мин (V = 270 м/мин) и n = = 930 об/мин (V = 318 м/мин) могут быть ис- a б Рис. 2. Пример обработанных данных для колебательной скорости инструмента в продольном направлении: а – временная реализация; б – амплитудный спектр колебательной скорости в среднечастотном и низкочастотном диапазоне Fig. 2. Example of processed data for tool oscillatory velocity in the longitudinal direction: а – time-domain signal; б – amplitude spectrum of oscillatory velocity in mid-frequency and low-frequency range пользованы в качестве режимов обработки с условием постоянства частоты оборотов детали, так как вариации частоты вращения заготовки в 1 Гц могут привести к значительному ухудшению динамики процесса резания (рис. 3). В этом случае малым вариациям технологических режимов резания в зоне квазиустойчивых параметров (V = 343 м/мин) соответствуют значительные вариации сил резания, в 1,6…2 раза превышающие вариации аналогичных параметров при V = 216 м/мин и V = 270 м/мин. Результаты моделирования вариаций трех параметров режимов резания на примере скорости обработки внутри оптимального с точки зрения минимизации вариаций площади срезаемого слоя диапазоне (216,5 м/мин) и за его пределами (343,6 м/мин) представлены на рис. 4, а, б. Стоит отметить, что при V = 343,6 м/мин сигналы по скорости и глубине резания приобретают вид практически гармонических колебаний. В данном случае происходит наложение частотных составляющих возмущений с несоизмеримыми амплитудами, при этом наблюдается наиболее мощный сигнал. Кинематические возмущения
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1