Том 27, № 4 (2025)

Введение. В настоящее время наблюдается растущий спрос на экологически чистые смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ) для обработки материалов резанием, что обусловлено их нетоксичностью, устойчивостью, высокой эффективностью и способностью улучшать качество поверхности. Эти жидкости поддерживают принципы экологичного производства и обеспечивают безопасную рабочую среду. Наножидкости на основе оксида меди обеспечивают повышенную теплопередачу, безопасность, а также снижают износ инструмента и силы резания. Цель работы. Настоящее исследование посвящено оценке эффективности СОЖ на основе оксида меди в процессах точения с целью поддержания устойчивого и экологически осознанного производства. В работе исследуется точение стали SS 304 с использованием наножидкостей с разной концентрацией оксида меди. Методы исследования. В данном исследовании процесс точения испытывался в различных условиях обработки с использованием СОЖ, содержащей разные концентрации наночастиц оксида меди (0,3, 0,6, 0,9, 1,2 и 1,5 %). В качестве базового масла выбрано кукурузное масло, в котором были диспергированы наночастицы оксида меди. Испытания по обработке проводились в различных условиях: сухое точение, мокрое точение, точение в условиях использования минимального количества смазочно-охлаждающей жидкости (MQL) и MQL с наномодификацией (nMQL). Был проведен сравнительный анализ для оценки температуры резания и сил резания. Результаты и обсуждение. Результаты показали, что применение 1,2%-й наножидкости оксида меди привело к значительному снижению силы резания и температуры резания, приблизительно на 17,54 и 29,53 % соответственно, по сравнению с обработкой в условиях сухого точения и традиционного мокрого точения. Кроме того, отмечено, что наножидкость участвует в образовании защитной пленки на границе раздела «инструмент – заготовка», что снижает износ инструмента. Эти результаты подчеркивают потенциал экологически чистых СОЖ на основе оксида меди для повышения эффективности операций точения и содействия экологически устойчивым методам.

Введение. Гибридные металломатричные композиты (HMMCs) находят все более широкое применение в авиационной и автомобильной промышленности благодаря их низкой плотности, высокой жесткости и исключительной удельной прочности. В частности, алюминиевые HMMCs, особенно на основе сплава Al7075, получают все большее признание. Непрерывные исследования и разработки в этой области направлены на поиск способов повышения долговечности и производительности этих передовых материалов. Цель работы. Обрабатываемость сплава Al7075 является серьезной проблемой из-за его абразивной армирующей фазы, которая вызывает быстрое изнашивание инструмента, увеличение сил резания и ухудшение качества обработанной поверхности. Кроме того, ориентация промышленности на экологически чистое производство привела к переходу от традиционной обработки с применением СОЖ к устойчивым альтернативам. Исходя из этого, исследователи оптимизируют производительность обработки, используя передовые технологические достижения и методы. Однако имеется ограниченное количество работ, посвященных моделированию производительности обработки нанокомпозитов на основе алюминиевого сплава Al7075 при токарной обработке в условиях охлаждения сжатым воздухом. Методы исследования. Разработка комплексной модели позволит производителям лучше понимать, как повысить эффективность процессов токарной обработки нанокомпозитов на основе сплава Al7075. С этой целью в данной работе проводится моделирование производительности обработки гибридных нанокомпозитов на основе алюминиевого сплава Al7075 при точении в условиях охлаждения сжатым воздухом с использованием адаптивной сети на основе системы нечеткого вывода (ANFIS) для прогнозирования износа инструмента (TW), шероховатости поверхности (Ra) и силы резания (Fc) в зависимости от параметров процесса. Результаты и обсуждение. Разработана ANFIS-модель для прогнозирования производительности обработки с учетом влияния параметров процесса, таких как скорость резания, подача и глубина резания, для различных нанокомпозитов на основе алюминиевого сплава Al7075, которые были изготовлены методом механического замешивания частиц в расплав с использованием наночастиц карбида кремния (30…50 нм) и графена (5…10 нм) в качестве армирующих элементов. Армирующие материалы влияют на механические и физические свойства композитов. Для инженерных приложений SiC и графен являются предпочтительными армирующими элементами, обладающими отличительными характеристиками. ANFIS-модели были разработаны для прогнозирования Ra, Fc и TW на основе экспериментальных результатов. Метод Сугено был выбран для представления нечетких правил и функций принадлежности, поскольку он использует взвешенные средние значения в процессе дефаззификации и обеспечивает лучшую эффективность обработки. Инструментарий MATLAB ANFIS применялся для разработки и настройки нечетких систем вывода. Разработанная ANFIS-модель эффективно прогнозирует характеристики обработки, предлагая практический подход к оптимизации параметров процесса с высокой надежностью. Исследование продемонстрировало хорошее соответствие между экспериментальными результатами и прогнозируемыми ANFIS-результатами, при этом средняя ошибка прогнозирования составила менее 8 %. В частности, ANFIS-модель дала ошибки в 5,1 % для Ra, 13,45 % для Fc и 7,92 % для TW. Модель продемонстрировала отличное соответствие экспериментальным данным, демонстрируя высокую точность прогнозирования и возможность обобщения. Для лучшего понимания влияния параметров процесса на Fc, Ra и TW для различных нанокомпозитов построены 3D-графики. Полученные результаты подтверждают эффективность охлаждения сжатым воздухом для улучшения обрабатываемости при минимизации воздействия на окружающую среду. Кроме того, разработанная ANFIS-модель служит надежным инструментом для оптимизации параметров токарной обработки композитов на основе алюминиевого сплава Al7075, поддерживая развитие стратегий экологически чистого производства.

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

Введение. В отличие от традиционных вычитающих технологий аддитивное производство (АП) имеет следующие преимущества: сокращение времени изготовления деталей и увеличение сроков службы материалов. Оно также характеризуется лучшей экологичностью, прежде всего вследствие повышения коэффициента использования материала (снижения количества стружки). Проволочные электронно-лучевые технологии АП обладают несомненным преимуществом, связанным с высокой производительностью и материалоемкостью. С другой стороны, существенным ограничением, сдерживающим внедрение проволочной электронно-лучевой технологии АП (EBAM), является низкая размерная точность и большая шероховатость поверхности 3D-напечатанных деталей. Цель работы: подбор оптимальных значений режимных параметров фрезерования (частоты вращения, подачи и ширины фрезерования) на основании одновременной оценки шероховатости обрабатываемой поверхности и скорости удаления материала. Методы и материалы. В работе исследовали образцы, полученные с помощью технологии EBAM. Механические свойства определяли путем испытаний на одноосное растяжение на электромеханической испытательной машине. Силу резания определяли с помощью динамометра Kistler 9257В. Исследования по фрезерованию заготовок нержавеющей стали EBAM 321 выполняли как на стационарном станке без применения СОЖ, так и на широкоформатном фрезерном станке с ЧПУ с применением СОЖ. Результаты и обсуждение. Показано, что для повышения производительности (скорости удаления материала) и снижения силы резания на стационарном станке без применения СОЖ целесообразно увеличивать скорость фрезерования, не увеличивая при этом величину подачи. При исследовании взаимосвязи скорости удаления материала и шероховатости от параметров фрезерования на широкоформатном фрезерном ЧПУ-станке с невысокой жесткостью портальной рамы и с применением СОЖ предложены модели линейной множественной регрессии и нелинейные модели на основе нейронных сетей прямого распространения. Показано, что для прогноза оптимальных параметров фрезерования достаточно использовать линейные регрессионные модели. Однако необходимо учесть, что исследования проводились в узких рамках щадящих режимов при малых временах механообработки и без учета возможного износа инструмента. Для этих условий (ограничений) дан прогноз оптимальных параметров фрезерования нержавеющей стали EBAM 12Х18Н10Т: при частоте вращения 4500 об/мин, подаче S = 404 мм/мин и ширине B = 0,43 мм прогнозируемая шероховатость Ra составит 0,648 мкм, а скорость удаления материала – 695 мм3/мин.

Введение. В современном машиностроении важную роль играет опытное производство. Технология копировально-прошивной электроэрозионной обработки (КПЭЭО) получила широкое распространение при обработке опытных деталей, изготавливаемых на потоках гибкого производства. Изготовление электродов-инструментов (ЭИ) является одним из основных этапов технологического цикла КПЭЭО. Цель работы. Обзор существующих исследований современных методов изготовления электродов-инструментов для электроэрозионной обработки. Методы исследования. Произведен обзор научной литературы на тему исследований в области электроэрозионной обработки, посвященных электродам-инструментам, преимущественно за последние 20 лет. Описаны различные конфигурации конструктивных элементов, обрабатываемых с помощью технологии КПЭЭО, а также конфигурации ЭИ для их обработки. Показаны зависимости влияния геометрических параметров ЭИ простейших конфигураций на выходные параметры КПЭЭО. Выделены основные группы методов изготовления ЭИ. Описаны ограничения, преимущества и недостатки методов, альтернативных традиционным. Выявлены основные тенденции развития современных методов изготовления ЭИ. Результаты и обсуждение. На основании обзора литературы, посвященной современным исследованиям в области электроэрозионной обработки, приведены современные тенденции развития конфигураций электродов-инструментов, выявлены проблемы изготовления сложнопрофильных электродов-инструментов традиционными методами. Установлено, что среди альтернативных методов изготовления электродов-инструментов наибольший интерес современных ученых вызывают литье по выплавляемым моделям, порошковая металлургия и аддитивные методы. Показано, что для каждого метода характерны свои преимущества и недостатки, подтвержденные рядом исследований. Выделены актуальные направления развития сложнопрофильных ЭИ и методов их изготовления: топологическая оптимизация электродов-инструментов, использование современных высокотехнологичных методов литья; расширение номенклатуры материалов ЭИ с повышенными электроэрозионными свойствами; оптимизация режимов порошковой металлургии, FDM-печати и селективного лазерного сплавления; повышение толщины и качества покрытий электродов-инструментов, полученных с применением технологий быстрого прототипирования.

Введение. Одним из важнейших критериев оценки эффективности выбранной стратегии обработки заготовок является интенсивность изнашивания инструмента. Снижение интенсивности изнашивания приводит к уменьшению издержек производства, связанных с затратами на обрабатывающий инструмент, и к повышению производительности в целом. Цель данной работы: снижение интенсивности изнашивания инструмента при обработке заготовки из сплава с памятью формы никелида титана ТН-1. Методы. В рамках исследований выполнялся полный трехфакторный эксперимент по токарной обработке заготовки из указанного сплава с целью определения интенсивности изнашивания режущей пластины при широких диапазонах варьирования параметров режима резания. При испытаниях у получаемой стружки измерялись геометрические параметры толщина и ширина. Путем построения графиков зависимостей от параметров стружки, аппроксимации полученных зависимостей и оценки величины достоверности аппроксимации каждой из них определялся параметр для разработки методики прогнозирования интенсивности изнашивания. Результаты и обсуждение. В работе доказано, что для прогнозирования величины интенсивности изнашивания режущей пластины при точении заготовки из никелида титана ТН-1 целесообразно использовать зависимость от толщины получаемой стружки. Установленная математическая зависимость описывается системой уравнений, позволяющей определить интенсивность изнашивания режущей пластины и погрешность этого расчета. Вероятность точного попадания реального значения интенсивности изнашивания инструмента в представленную область составляет не менее 87,5 % при доверительной вероятности 95 %, что говорит о достаточной для практики точности. Суть разработанной в рамках данного исследования методики прогнозирования величины изнашивания режущей пластины заключается в выполнении пробного прохода резца с целью получения стружки, по толщине которой необходимо рассчитать величину интенсивности изнашивания и наиболее вероятной абсолютной погрешности по установленным зависимостям. В работе также определено, что зависимость интенсивности изнашивания имеет точку минимума. Это обстоятельство позволило установить значение минимальной возможной интенсивности изнашивания при обработке сплава ТН-1, а также погрешность расчета δVmin = (0,432 ± 0,096)·10–3 мм–2. При этом оптимальное значение толщины стружки a = 0,34 мм. Наиболее близким из испытанных режимов, обеспечивающих сопоставимую интенсивность изнашивания режущей пластины, равную 0,475·10–3 мм–2, является следующий: скорость резания 5 м/мин, подача 0,2 мм/об, глубина резания 0,3 мм. При этом толщина стружки составила 0,4 мм.

Введение. Аддитивные технологии, в частности WAAM-метод, позволяют быстро и экономично производить сложные металлические изделия. Однако при этом возникает анизотропия физико-механических свойств синтезированных материалов, которую необходимо учитывать при их дальнейшей эксплуатации. Цель работы. Количественная оценка анизотропии свойств материалов, полученных WAAM-методом, для повышения надежности применения изделий в ответственных конструкциях. Методика исследования. Экспериментальное создание образцов из низкоуглеродистой легированной стали 08Г2С, нержавеющей стали 04Х19Н9 и алюминиевого сплава АМг3 и последующее их исследование на прочность, ударную вязкость и твердость. Результаты приведены в сравнении с материалами в исходном состоянии, что позволяет рассмотреть относительную анизотропию по каждому из параметров. Результаты и обсуждение. Исследование показало, что для стали 08Г2С предел прочности образцов, полученных WAAM-методом, почти не отличается по направлениям, что свидетельствует о высокой изотропии (относительная анизотропия составила 1,3 %). У относительного удлинения наблюдается относительная анизотропия 33 %, у ударной вязкости 21 %, у твердости 16 %. Сталь 04Х19Н9 проявляет относительную анизотропию по пределу прочности 15,1 %, по относительному удлинению 244 %, по ударной вязкости 33 %, по твердости 4 %. У алюминиевого сплава АМг3 из-за «вертикального» направления относительная анизотропия предела прочности составила 83,6 %, а относительного удлинения – 513 %. Для ударной вязкости в зависимости от места вырезки образцов относительная анизотропия изменяется незначительно (28 %), по твердости материал можно считать изотропным. В целом наименьшая относительная анизотропия наблюдается по твердости, а наибольшая – по относительному удлинению.

Введение. Медицина считается одним из наиболее перспективных направлений использования магниевых сплавов. Их ключевыми преимуществами являются биорезорбируемость и относительно низкий модуль упругости, сопоставимый с модулем упругости кортикальной кости человека (до 30 ГПа). Для медицинских приложений наиболее перспективны биосовместимые сплавы системы Mg-Zn-Zr-Сe (МА20). Ввиду их невысоких механических свойств требуют дальнейшего развития вопросы, связанные с разработкой методов интенсивной пластической деформации (ИПД) для формирования ультрамелкозернистого (УМЗ) состояния в объемных заготовках сплава Mg-Zn-Zr-Сe с целью получения оптимальных функциональных свойств. Для анализа условий формирования высокопрочного состояния УМЗ-сплавов необходимо учитывать различные механизмы упрочнения, включая и хорошо известные, связанные с влиянием УМЗ-структур. Актуальными также являются вопросы по выявлению механизмов деформации и деформационного упрочнения магниевых сплавов, подвергнутых ИПД. Цель работы: установление механизмов деформационного упрочнения и влияния термообработки на структуру и свойства магниевого сплава МА20 после комбинированной ИПД. Методы исследования. Объектом исследования являлся сплав МА20 в УМЗ-состоянии (масс. %: Mg – 98,0; Zn – 1,3; Ce – 0,1; Zr – 0,1, O – 0,5). УМЗ-состояние в сплаве получали методом ИПД, который включал в себя abc-прессование и последующую многоходовую прокатку в ручьевых валках. С целью исследования влияния отжигов на микроструктуру и механические свойства сплава образцы отжигали при температурах 200, 250, 300 и 500 °С в течение 24 часов на воздухе. Микроструктуру и фазовый состав образцов исследовали с помощью оптической и просвечивающей электронной микроскопии. Результаты и обсуждение. Установлено, что применение к образцам сплава МА20 комбинированного метода интенсивной пластической деформации, который состоит из 3аbс-прессования и последующей многоходовой прокатки, приводит к формированию УМЗ-структуры со средним размером зерна около 1 мкм. Достигается значительное повышение условного предела текучести σ_0,2 до 250 МПа и временного предела прочности σ_B до 270 МПа при одновременном снижении относительного удлинения до 3 %. Установлено, что отжиг при 200 °C сохраняет УМЗ-состояние в сплаве МА20 и способствует увеличению пластичности на 100 %, уменьшению σ_0,2 на 8 %, σ_В – на 4 % по сравнению с исходным УМЗ-состоянием (без отжига). Выводы. Выявлено, что наибольший вклад в упрочнение УМЗ-магниевого сплава МА20 вносят зернограничный (σ_зер = 202 МПа) и дислокационный (σ_дис = 69 МПа) механизмы упрочнения. Для магниевого сплава в УМЗ- и мелкокристаллическом (МК) состояниях выявлен интервал размера зерен 1…7 мкм, соответствующий резкому росту интенсивности изменения рассчитанных вкладов дислокационного, зернограничного и общего упрочнений (dσ_дис/dd, dσ_зер/dd, dσ_общ/dd) и плотности дислокаций dρ/dd. Для крупнокристаллического (КК) состояния сплава в интервале размеров зерен 7…40 мкм наблюдается стабилизация указанных параметров.

Введение. Алюминиевые сплавы системы Al-Cu-Mn, легированные медью в количестве 2–3 % и марганцем 1–2 % (далее АЛТЭК), отличаются термостойкостью и высокими механическими характеристиками за счет образования нанодисперсных частиц фазы Al20Cu2Mn3. При воздействии высоких температур (до 400 °С) частицы блокируют процессы полигонизации и возврата, затрудняя движение границ зерен. Перспективным направлением совершенствования данных сплавов является модифицирование литой структуры переходными металлами (ПМ). Недостаточное количество ПМ не обеспечивает модифицирования, тогда как избыточное приводит к снижению прочности из-за возникновения большого числа крупных интерметаллидных частиц. Предметом работы являются сплавы АЛТЭК, легированные Mg, Zr, Sc, Hf. Цель работы: определение оптимальных концентраций скандия, гафния и циркония, необходимых для эффективной модификации литой структуры сплавов при комплексном легировании сплавов АЛТЭК. В работе исследовано влияние комплексных добавок переходных металлов (Zr, Sc, Hf) на формирование литой структуры сплавов Base0.15Zr0.05Sc0.05Hf, Base0.1Zr0.14Sc0.16Hf, Base0.1Zr0.2Sc0.16Hf, Base0.1Zr0.25Sc0.16Hf в сравнении с базовым сплавом. Методами исследования являются оптическая и сканирующая электронная микроскопия, а также рентгеноструктурный анализ. Результаты и обсуждение. Модифицирование зеренной структуры в сплавах с содержанием скандия менее 0,20 % не наблюдается, при этом размер зеренной структуры в среднем составляет 350 мкм. Добавка скандия в количестве 0,20 и 0,25 % приводит к уменьшению среднего диаметра зерна до 41,8 и 29,7 мкм соответственно. Методом сканирующей электронной микроскопии определено, что частицы фазы Al6Mn, Al2CuMg встречаются во всех исследуемых сплавах. В составах Base0.1Zr0.2Sc0.16Hf, Base0.1Zr0.25Sc0.16Hf встречаются частицы фазы Al3(Sc, Hf, Zr). Методом рентгеноструктурного анализа найдены фазы Al20Cu2Mn3 и в малом количестве Al6Mn, Al2CuMg в базовом сплаве и в сплаве Base0.1Zr0.25Sc0.16Hf. Модифицирование структуры объясняется выделением первичных частиц Al3(Sc, Zr, Hf). Область применения результатов. Полученные результаты перспективны в рамках разработки новых материалов для изготовления авиационной и ракетно-космической техники. Выводы. Добавка скандия 0,20–0,25 % при содержании циркония 0,1 % и гафния 0,16 % является наиболее эффективной.

Введение. В процессе рекристаллизационного отжига при производстве холоднокатаной электротехнической и автомобильной стали на поверхности печных роликов образуются наросты. Они являются причиной повреждений поверхностного слоя обрабатываемой стальной ленты в виде вмятин. Предметом исследований была оценка этого дефекта. Методы. Разработана лабораторная методика оценки склонности к образованию наростов на печных роликах. Она имитирует контактное взаимодействие между печным роликом и прокатываемой лентой в реальных условиях рекристаллизационного отжига, включая приложенное давление в зоне контакта, температуру в диапазоне 700…900 °С, состав атмосферы в печи (H2-N2) и уровень влажности, возникающей вследствие наличия кислорода, адсорбированного на стальной ленте. Для оценки достоверности методики было проведено сравнение наростов с поверхности ролика после эксплуатации и наростов, образовавшихся в лабораторных условиях в зоне контакта стальных образцов из материалов ролика и ленты. Для анализа были использованы результаты, полученные с применением оптической микроскопии, рентгеноструктурного анализа и сканирующей электронной микроскопии. Результаты и обсуждение. Исследование показало, что разработанный метод приводит к образованию на поверхности пластин наростов, имеющих морфологию, химический и фазовый составы, аналогичные наблюдаемым на печных роликах. Сравнительная оценка склонности к образованию наростов на типовом материале печного ролика, стали ЭИ 283, и на покрытии NiCrAlY, полученном плазменным напылением, показала, что в первом случае темп образования наростов выше на порядок. Подтвержденная достоверность лабораторной методики позволяет использовать ее в оценке эффективности мер против образования наростов на печных роликах в условиях длительного высокотемпературного контакта.