Титан и его титановые сплавы, а также жаропрочные стали занимают ключевые позиции в современной промышленности благодаря высокой удельной прочности, коррозионной стойкости и способности работать в агрессивных средах. Одновременно обработка резанием этих материалов относится к числу наиболее трудоемких: низкая теплопроводность, высокая красностойкость и склонность к адгезии стружки повышают контактную температуру, ускоряют диффузионный и адгезионный износ, усложняют обеспечение качества поверхности.

Основные области применения — аэрокосмическая отрасль, медицинская промышленность (импланты, хирургические инструменты), нефтегазовый сектор, энергетика и химическое машиностроение, где критичны допустимые допуски, надёжность и ресурс изделий.

Цель этого руководства — предоставить практические рекомендации по подбору материала режущей части, покрытий, геометрии и режимов резания для черновой, получистой и чистовой обработки титановых и жаропрочных материалов. Статья структурирована так, чтобы технологи, наладчики и инженеры‑конструкторы получили систематизированную информацию о механизмах износа, измерениях температур и контроле дефектного слоя, а также готовые таблицы режимов и чек‑листы для внедрения на производстве.

Физико‑механические свойства, влияющие на обрабатываемость

Обрабатываемость титановых и жаропрочных сплавов определяется совокупностью физических и механических характеристик: плотностью, модулем упругости, теплопроводностью, красностойкостью, пластичностью и склонностью к наклепу. Понимание каждой из этих величин необходимо для выбора режущего материала, геометрии пластины и оптимальных режимов резания.

Ключевые свойства и их влияние

• Плотность — влияет на массы стружки и динамику резания; низкая плотность титана (по сравнению со сталью) уменьшает момент инерции заготовки, но увеличивает удельную работу резания при прочей равной прочности.
• Модуль упругости — определяет склонность к упругим деформациям и вибрациям; у титана модуль упругости ниже, чем у легированных сталей, поэтому при обработке требуется более жёсткая закрепка и меньшие длины вылета инструмента.
• Теплопроводность — критический параметр: низкая теплопроводность титана и некоторых никелевых сплавов концентрирует тепло в зоне резания, повышая контактную температуру, ускоряя диффузионный износ и адгезию стружки к пластине.
• Красностойкость — способность сохранять прочность при высокой температуре; высокая красностойкость жаропрочных/никелевых сплавов препятствует пластическому потоку в зоне резания, что ухудшает срезание и повышает контактный нагрев.
• Пластичность и склонность к наклепу — высокая пластичность титана приводит к длинным склонным к налипанию стружкам и образованию наклепанного слоя (work‑hardened layer) на поверхности, что осложняет режущую кромку и ухудшает шероховатость.

Как свойства влияют на технологические показатели

• Температура резания: увеличивается при низкой теплопроводности и высокой красностойкости; приводит к росту диффузионного износа и лункообразования.
• Стружкообразование: высокая пластичность → склонность к длинной спиральной стружке и налипанию; керамика/минералокерамика и специальные геометрии помогают формировать короткие ломаные стружки.
• Вибрации и упругое восстановление: низкий модуль упругости (титан) требует минимизации вылета инструмента и увеличения жёсткости приспособления.
• Контактная площадь: при большом радиусе закругления кромки и мягкой пластической деформации зона контакта растёт, что повышает трение и температуру.

Сравнение типичных значений

Материал	Плотность, г/см³	Теплопроводность, Вт/(м·К)	Модуль упругости, ГПа
Углеродистая/легированная сталь	7,8–7,9	40–60	200–210
Титан (Ti‑6Al‑4V)	4,4–4,5	6–8	105–115
Жаропрочные/никелевые сплавы (Inconel, Hastelloy)	8,1–8,3	10–15	190–210

Эти приблизительные значения иллюстрируют основную причину трудоёмкости обработки титана и никелевых сплавов: сочетание низкой теплопроводности и высокой красностойкости приводит к локальным высоким температурам, активизации адгезионных и диффузионных механизмов износа. При планировании обработки важно учитывать также образование наклепанного слоя и меры по его контролю (подбор геометрии, покрытия, СОЖ, параметры резания).

Механизмы износа инструмента и образования дефектного слоя

При обработке титановых и жаропрочных сплавов ключевыми факторами стойкости инструмента и качества поверхности являются совокупные механизмы изнашивания: адгезионный, абразивный, диффузионный и лункообразование. Понимание их природы позволяет связать выбор режимов резания и конструктивных решений инструмента с реальными ограничениями процесса.

Адгезионное изнашивание: при высокой контактной температуре и интенсивном трении металл заготовки прилипает к режущей кромке и покрытию, образуя налипшую слоистую структуру (built‑up edge). Последующие отрывы этих пластов инициируют выкрашивание и рост заднего износа. Адгезионное изнашивание особенно характерно для титановых сплавов из‑за их склонности к химической связке с карбидными и металлическими матрицами пластин.

Абразивное истирание: включения, твердые фазы или закалённые частицы передают механическое истирающее воздействие на режущую кромку. При больших контактных давлениях и высокой жёсткости стружки абразивный компонент усиливается — наблюдается рост фаски и ускоренное уменьшение радиуса кромки.

Диффузионные процессы: при температурах порядка 800–1200 °C активируются диффузионные механизмы между материалом пластины и обрабатываемой поверхностью — атомы ванадия, никеля или титана мигрируют, разрушают матрицу покрытия и основания пластины. Диффузионные процессы приводят к снижению твёрдости инструмента и образованию диффузионного износа в зоне задней поверхности.

Лункообразование (crater wear): в результате комбинации высоких температур, химической активности и ударного контакта стружки с передней поверхностью пластины формируются вогнутые выемки — лунки. Лункообразование критично, так как меняет геометрию режущего клина и увеличивает контактную площадь, что повышает трение и дальнейший нагрев инструмента.

Роль контактной температуры и теплопроводности: низкая теплопроводность титана концентрирует тепло в зоне резания — температура резания может достигать сотен градусов и при экстремальных режимах приближаться к 800–1200 °C локально. В этом диапазоне усиливаются диффузионные процессы, ускоряется износ покрытий и возникает термическое растрескивание покрытия. Нагрев инструмента и накопление температуры в клине приводят к термической релаксации и снижению прочности пластин.

Влияние режимов (скорость/подача): для каждой подачи существует оптимальная скорость — ниже оптимума доминирует адгезия и образование наклепанного слоя; выше оптимума растёт контактная температура, усиливаются диффузионные и термически обусловленные виды износа, увеличивается вероятность лункообразования. Соответственно, карта износа имеет U‑подобный характер по скорости.

Внешние факторы: H2, O2 и коррозия: присутствие кислорода (O2) способствует окислению поверхности и может частично защищать от адгезии, но при высоких температурах оксиды способствуют абразивному износу. Водород (H2) может вызывать водородное охрупчивание у некоторых сплавов, изменяя поведение стружки и способствуя микротрещинам. Химическая активность среды и коррозионные эффекты ускоряют разрушение покрытия и матрицы пластины.

Практически контроль износа инструмента достигается сочетанием: выбора стойкого материала пластины и покрытия, уменьшения площади контакта (оптимизация радиуса и углов), применения внутреннего или направленного охлаждения и выбора скоростно‑подачных режимов в зоне оптимума, что минимизирует адгезионное и диффузионное изнашивание и ограничивает образование дефектного слоя на заготовке.

Материалы режущих частей и покрытия — выбор и обоснование

Правильный выбор материала пластины и покрытия — один из ключевых факторов при обработке титана и жаропрочных сплавов. Ниже приведён практический обзор доступных решений и рекомендации по применению в зависимости от операции (черновая/получистовая/чистовая) и условий (прерывистая резка, высокая температура, внутренняя подача СОЖ).

• Твёрдый сплав (WC‑основа): наиболее универсален для токарной и фрезерной обработки. Пластины марок ВК3, ВК4, ВК8 с кобальтовой связкой дают баланс между ломкостью и ударной вязкостью. Рекомендации: ВК8 — для чистовой и устойчивых режимов; ВК4/ВК3 — для прерывистой резки и условий с ударной нагрузкой.
• Быстрорежущая сталь (Р18, HSS): применяется для специализированных маленьких инструментов и метчиков; ограничена по стойкости при высоких температурах и не является основным решением для массовой обработки титана.
• Керамика и минералокерамика: керамические пластины и минералокерамика (например, решения типа SSY — упоминаются в источниках; пример конструктивного типа: RNGN120400HRSA) дают высокую твёрдость и красностойкость. Подходят для высокоскоростной чистовой обработки при стабильной подаче СОЖ или при минимизации адгезии. Минералокерамика лучше переносит пластическую деформацию титана и даёт меньшую глубину дефектного слоя по сравнению с карбидом в ряде кейсов.
• PCD: превосходен для неметаллических и алюминиевых сплавов; для титановых и никелевых сплавов его применение ограничено химической совместимостью и температурными эффектами — PCD применяют в специфических задачах (например, чистовая фрезеровка при низком нагреве).

Покрытия и их роль

• PVD‑слои (TiN, AlTiN, ZrN) — уменьшают адгезию, повышают износостойкость и красностойкость. TiN снижает трение; AlTiN даёт хорошую защиту при высоких температурах (повышенная «red hardness»); ZrN часто используют для борьбы с налипанием на титане.
• DLC — покрытие с очень низким коэффициентом трения, эффективно для уменьшения налипания и уменьшения ломающейся стружки при невысоких температурах.

Практические советы по выбору

• Черновая обработка: тёплостойкие твёрдые сплавы (ВК4/ВК3) с PVD‑покрытием; при прерывистой резке — более вязкие марки с большим содержанием кобальта.
• Получистовая: переход к более твёрдым карбидным маркам или минералокерамике SSY для уменьшения глубины деформированного слоя.
• Чистовая/высокопроизводительная чистовая обработка: минералокерамика (RNGN‑типы) или специализированные керамические пластины; PCD — только в специфических условиях.
• При высокой температуре и риске диффузионного износа отдавайте предпочтение покрытиям AlTiN или многослойным PVD‑системам; для борьбы с адгезией — DLC или ZrN.

Коммерческие примеры и марки

На практике используют сочетания базовых марок и покрытий от производителей: Sandvik Coromant (серии с индексами H13A и др.), ISCAR (серии GC1105 и другие), Kennametal (например, CD10 и прочие промышленные марки). Эти примеры иллюстрируют классические решения — при подборе опирайтесь на технические паспорта и рекомендованные режимы конкретного производителя.

Вывод: выбор материала режущей части и покрытия должен основываться на балансе стойкости и ударной вязкости, ожидаемых температурах в зоне резания и типе стружкообразования. Комбинация твёрдого сплава ВКx с адекватным PVD‑покрытием — универсальная отправная точка; минералокерамика и керамика используются для повышения производительности в чистовых операциях.

Геометрия инструмента и её параметры (углы, радиусы, формы)

Геометрия резца — ключ к устойчивой и качественной обработке титана (включая ВТ1–0). Ниже — практические геометрические параметры и пояснения по их влиянию.

• Передний угол (rake, передний угол): для карбидных пластин рекомендуется в диапазоне +0°…+8° (положительный для чистовой/получистой обработки), для керамики — от −5° до 0° (для прочности кромки). Меньший/отрицательный передний угол повышает стойкость при прерывистой резке.
• Задний угол (clearance, задний угол): 7°…12°. Больший угол уменьшает трение по задней поверхности, но ослабляет кромку; типично 8°–10° для баланса стойкости и качества поверхности.
• Главный угол в плане (lead, главный угол в плане): 75°–95°. Более острый угол (≈75°) уменьшает нормальную нагрузку и контактную температуру; угол ≈90° даёт равномерную изношенность кромки при черновой обработке.
• Вспомогательный угол: 0°–10° в зависимости от конфигурации пластины; обеспечивает стабилизацию плоскости резания и влияет на форму стружки.
• Радиус носка (radius): критически важен для площади контакта. Рекомендации: черновая обработка — 0,8–1,2 мм, получистовая — 0,4–0,8 мм, чистовая — 0,2–0,4 мм. Меньший радиус снижает контактную площадь и температуру, но увеличивает шероховатость при больших подачах.
• Стружколом (chipbreaker): выбирайте конструкцию, формирующую короткие ламеллярные стружки; у титана предпочтителен агрессивный стружколом для избежания налипания и забивания канавок.
• Форма пластины и резца: круглые и треугольные пластины с малым радиусом эффективны для уменьшения локального нагрева; отрицательные пластины — для прерывистой резки; пластины‑wiper используются для улучшения качества чистовой поверхности при низких подачах.
• Сверла — винтовая канавка и угол: точка 135°–140° со стойкой кромкой; винтовая канавка с умеренным углом спирали 20°–28° (меньший угол укрепляет кромку и улучшает отвод стружки у титана). Обязательна внутренняя подача СОЖ и стратегия peck‑drilling для отвода стружки.

Общие советы: минимизируйте вылет инструмента и увеличьте жёсткость станка; при увеличении радиуса носка корректируйте подачу, чтобы не превысить допустимую площадь контакта; для ВТ1–0 отдавайте предпочтение малому радиусу и положительному переднему углу при чистовой обработке, а для черновых проходов — более прочной геометрии с большим радиусом и отрицательным/нейтральным передним углом.

Режимы резания: практические таблицы и матрицы (черновая, промежуточная, чистовая)

Ниже приведены справочные таблицы режимов резания для токарной обработки титановых и жаропрочных сплавов. Значения ориентировочные — окончательный выбор режима должен быть верифицирован на вашей комбинации инструмент–станок–СОЖ с учётом карты износа и оптимальной скорости для каждой подачи.

Табл. 1 — Точение: диапазоны режимов по этапам

Этап	Скорость резания V, м/мин	Подача f, мм/об	Глубина резания ap, мм
Черновая обработка	30–60 м/мин	0.15–0.40 мм/об	2.0–6.0 мм
Промежуточная (получистовая)	40–80 м/мин	0.08–0.20 мм/об	0.5–2.0 мм
Чистовая обработка	50–120 м/мин	0.05–0.15 мм/об	0.1–0.5 мм

Табл. 2 — Режимы для конкретных марок (черновая / получистовая)

Марка	Черновая (V / f / ap)	Получистовая (V / f / ap)
ВТЗ‑1	25–50 м/мин / 0.15–0.35 мм/об / 1.5–4 мм	40–70 м/мин / 0.08–0.18 мм/об / 0.5–1.5 мм
ВТ9	20–40 м/мин / 0.12–0.30 мм/об / 1.0–3.0 мм	30–60 м/мин / 0.08–0.15 мм/об / 0.5–1.5 мм
ВТ6 (Ti‑6Al‑4V)	30–60 м/мин / 0.15–0.35 мм/об / 2.0–4.0 мм	50–90 м/мин / 0.08–0.18 мм/об / 0.5–1.5 мм
ВТ1–0 (чистый титан)	40–90 м/мин / 0.15–0.35 мм/об / 2.0–4.0 мм	60–110 м/мин / 0.08–0.20 мм/об / 0.5–1.5 мм

табл. 3 — Матрица чистовой обработки для ВТ1–0 (рекомендованные скорости V, м/мин)

Пояснение: строки — подача f (мм/об), столбцы — глубина резания ap (мм).

f \ ap	0.05 мм	0.10 мм	0.20 мм	0.40 мм
0.03 мм/об	80–110	70–100	60–80	50–70
0.05 мм/об	70–95	60–85	50–70	40–60
0.08 мм/об	60–80	50–70	40–60	35–50
0.12 мм/об	50–70	40–60	35–50	30–45

Практические замечания:

• Режимы резания и матрица служат отправной точкой — подбирайте конкретную скорость резания и подачу, ориентируясь на динамику износа инструмента и температуру резания.
• Для каждого значения подачи существует оптимальная скорость — уход выше/ниже этой скорости увеличит адгезионное/диффузионное изнашивание.
• При проблемах с налипанием и высоким контактым нагревом снижайте скорость или переходите на покрытия/геометрию, уменьшающую площадь контакта.

Операционные рекомендации по основным операциям (токарная обработка, сверление, нарезание резьбы, протяжка, разрезка/пиление)

Ниже — практические операционные инструкции с числовыми параметрами для типичных операций при обработке титана и жаропрочных сплавов. Значения ориентировочные: валидация на стенде обязательна.

Токарная обработка

• Углы и геометрия: передний угол +0…+8° (чистовая/получистовая), задний угол 8–12°. Радиус носка: черновая 0.8–1.2 мм, получистовая 0.4–0.8 мм, чистовая 0.2–0.4 мм.
• Режимы резания: скорость резания 30–80 м/мин (в отдельных случаях 5–80 м/мин); подачи 0.05–0.35 мм/об в зависимости от этапа; глубина резания для черновой 2–6 мм, для чистовой 0.1–0.5 мм.
• Крепление и жёсткость: минимизируйте вылет инструмента, используйте короткие оправки и жесткие патроны; балансировка заготовки и опоры обязательно при длинных валках.
• Охлаждение: рекомендуются внутренняя подача СОЖ или высоконапорная внешняя струя; при невозможности — применение масляных смазок или аэрозольных систем; снизить контактную температуру важнее высокой скорости.

Сверление

• Геометрия сверл: углы заточки 135–140° (расширенная точка), фаска заднего угла 8–12°, усиленные кромки для стойкости.
• Винтовая канавка: умеренный угол спирали 20–28° для улучшенного отвода стружки и уменьшения натягивания; глубокая канавка — обязательна для длинных отверстий.
• Режимы: скорость резания для типичных размеров 10–30 м/мин; при особо жёстких сплавах — 5–12 м/мин (пример: 12 м/мин для крупных диаметров). Подача: 0.05–0.25 мм/об в зависимости от диаметра.
• Отвод стружки: peck‑drilling (циклическое вдавливание) для предотвращения скопления; внутренняя подача СОЖ существенно увеличивает стойкость инструмента.

Нарезание резьбы и протяжка

• Метчики: для чистовой нарезки используйте спиральные или спирально‑выводные метчики при глухих отверстиях; скорость резания низкая — порядка 7,6–15 м/мин (зависит от диаметра), подача равна шагу резьбы.
• Протяжки: медленные подачи и надёжное закрепление заготовки; применение СОЖ с отличной смазывающей способностью; контроль температуры и регулярная проверка износа зубьев.

Разрезка, пиление, дисковые пилы

• Ножовки и ленточные пилы: шаг зуба выбирается по толщине материала — примерно 2–3 зуба на толщину листа в мм; подача на зуб мала, чтобы избежать перегрева и налипания.
• Дисковые пилы: используйте полотна с большим содержанием твердосплавных напаек и мелким шагом зубьев; поддерживайте высокую жёсткость и правильное натяжение полотна.
• Абразивные круги: при дисковой резке жаропрочных материалов предпочтительны специально подобранные абразивы; следите за защитой от искрообразования и теплоотводом.
• Подача на зуб и скорости: при фрезеровании титановых деталей подача на зуб минимальна — ориентировочно 0.01–0.08 мм/зуб; скорости резания при фрезеровании обычно 40–80 м/мин в зависимости от инструмента и покрытия.

Общие рекомендации: тестируйте режимы на пилотной партии, фиксируйте износ инструмента и контактную температуру; при первых признаках налипания или роста износа снижайте скорость и переходите на более хитрые решения по покрытию/геометрии. Соблюдение жёсткости, правильной геометрии и эффективного отвода стружки — ключ к стабильному процессу.

СОЖ, охлаждение, отвод стружки и предотвращение налипов

Эффективная система смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ) и организация отвода стружки — ключевые меры при обработке титана и жаропрочных сплавов. Типичные варианты: водные эмульсии — универсальны и охлаждают, но могут уступать в антифрикционных свойствах; сульфурированные/хлорированные масла дают лучшую сопротивляемость адгезии и повышают износостойкость при высоких нагрузках, но требуют строгой эксплуатации и утилизации; обдув воздухом и аэрозольные системы применимы там, где нужно снизить объём жидкости и быстро удалить стружку.

Рекомендуемые практики по подаче СОЖ: внутренняя подача под давлением (в канале инструмента) существенно улучшает охлаждение режущей кромки и отвод стружки — типичные рабочие давления 20–80 бар в зависимости от задачи; при невозможности — высоконапорная наружная струя (10–30 бар) с точной подводкой к зоне резания. При сверлении внутренняя подача совместно с режимом peck‑drilling критична для предотвращения закупорки канала стружкой.

Системы отвода стружки: оптимизированные стружколомные геометрии, направляющие скребки, ленточные/винтовые стружкоуловители и автоматические конвейеры — все они уменьшают риск повторного контакта стружки с инструментом. Для длинных шаровых стружек используют стружкоотводящие каналы и сборные ёмкости с промывкой СОЖ.

Практики против налипов: комбинируйте подходы — покрытия (AlTiN, ZrN, DLC), правильная геометрия (стружколом, положительный передний угол, уменьшенный радиус носка), контроль СОЖ (эмульсия или EP‑масло) и режимы (прерывистая резка, снижение скорости при сильной адгезии). Тестирование вариантов на пилотных сериях и мониторинг температуры/износа помогут выбрать оптимальную связку «СОЖ + геометрия + покрытие».

Контроль качества поверхности, остаточные напряжения и методы измерений

Контроль контактной температуры, глубины дефектного слоя и технологических остаточных напряжений — обязательная часть валидации режимов при обработке титана. Для этого применяют совокупность инструментов: тепловизор и естественная термопара для регистрации температуры резания; динамометр — для измерения сил резания; микроскоп МИР-1М для оценки микроструктуры и дефектного слоя; специализированные комплексы (РИКОР-7, СИТОН 'АРМ') для метрологии и контроля геометрии и шероховатости.

Как измерять:

• Контактная температура — первичный контроль тепловизором (поверхностный профиль) и затем вблизи зоны резания — встроенной термопарой (естественная термопара) для калиброванных значений.
• Глубина дефектного слоя — препарирование поперечного среза, травление и микроскопия; дополнительно профиль микротвердости (Vickers) для выявления наклепанного слоя и пластической деформации.
• Поверхностный относительный износ / износ по задней поверхности — измерение по стандартной методике (фото/микроскоп) и фиксация b (мм). Для титана ориентиры: допустимый износ по задней поверхности ~0,25–0,3 мм для чистовой, ~0,35–0,5 мм для получистой, ~0,5–0,8 мм для черновой обработки (заключение по инструменту).
• Остаточные напряжения — рентгеновская дифракция (XRD) или метод засверливания; оперативные бытовые измерения частично реализуются в комплектах РИКОР-7/СИТОН 'АРМ'.

Критерии допуска и валидация: цель для чистовой обработки — глубина дефектного слоя <30–50 мкм, для получистой <100–200 мкм, для черновой — допускаются большие значения до 200–400 мкм в зависимости от последующей обработки. При пилотных испытаниях ведите стендовые испытания с интервальным замером (каждые N минут или после каждого прохода) и ускоренные стойкостные тесты: фиксируйте контактную температуру, силы, b (износ по задней) и глубину дефектного слоя; режим принимается при стабильности показателей и соблюдении пределов по износу и глубине.

Экспериментальные кейсы и доказательная база

Раздел сводит воедино ключевые экспериментальные исследования и производственные кейсы, подтверждающие рекомендации по режимам, геометрии и инструментальным материалам.

• Кейс 1 — зависимость стойкости инструмента от скорости (Afonasov, публикация на CyberLeninka)
  Экспериментальные исследования показали U‑образную зависимость интенсивности износа от скорости: при низких скоростях доминирует адгезионное изнашивание, при высоких — диффузионные процессы и лункообразование. Оптимальная скорость для выбранной подачи обеспечивает максимальную стойкость инструмента. График: ось X — скорость, ось Y — величина износа; минимум на кривой соответствует оптимальной V для заданной подачи.
• Кейс 2 — введение ультразвуковой энергии (Editorum)
  Использование УЗ‑колебаний (УЗ‑поле) в зоне резания с системой типа Quantum Opti D420x1000 DPA продемонстрировало существенные улучшения: снижение глубины дефектного слоя в среднем в 1.45 раза и снижение контактной температуры на 12–17%. В отдельных конфигурациях наблюдалось увеличение производительности до 30× (в практических сценариях — прирост в разы, зависящий от операции и материала). Описание схемы: сравнение контрольного и УЗ‑эксперимента по кривым температуры и износа; таблица с процентными изменениями.
• Кейс 3 — применение минералокерамики в производстве (Editorum, Enex)
  Пластины типа SSY (например, RNGN120400HRSA) показали в производственных условиях более стабильное стружкообразование, уменьшение наклепанного слоя и улучшение качества поверхности по сравнению с традиционным карбидом при тех же режимах. Практическая выгода: уменьшение простоев на смену инструмента и снижение глубины дефектного слоя, что подтверждает рост стойкости инструмента и снижение интенсивности износа.

Графики и схемы, рекомендуемые для включения: 1) кривая «износ vs скорость» (U‑образная), 2) сравнительная гистограмма глубины дефектного слоя «карбид vs минералокерамика vs УЗ», 3) временные ряды температуры и износа при применении УЗ‑поля. Числовые эффекты, зафиксированные в совокупности: снижение глубины дефектного слоя в 1.45 раза, падение температуры на 12–17 %, увеличение производительности в отдельных сценариях до 30×.

Выводы по применимости: УЗ‑введение и минералокерамические пластины являются перспективными решениями для повышения стойкости инструмента и снижения дефектного слоя при чистовых и получистовых операциях. Однако их экономическая целесообразность и техническая реализация должны оцениваться по TCO и тестироваться на пилотном участке с учётом конкретной марки сплава, выбранной геометрии и возможностей охлаждения.

Практический чек‑лист и рекомендации для внедрения в производство

Представленный чек‑лист помогает последовательно внедрить режимы и инструменты для обработки титана/жаропрочных сплавов — от анализа заготовки до валидации и контроля качества.

1. Анализ материала и требований: определите марку сплава, требуемую точность/шероховатость, последующие операции (шлифовка, термообработка) и допустимые глубины дефектного слоя.
2. Планирование процесса: моделирование процесса и программирование в CAM — выбор стратегии черновой/получистой/чистовой обработки с учётом жёсткости оборудования и длины вылета.
3. Выбор инструмента и геометрии: подбор материала пластины, покрытия, переднего/заднего угла и радиуса носка по типовой таблице; предусмотреть внутреннюю подачу СОЖ при возможности.
4. Пробные режимы на пилоте: выполнить серию проходов по матрице скоростей/подач, фиксируя контактную температуру, силы и визуальный износ; применять стендовые стойкостные испытания.
5. Контроль и проверка режима: измерять глубину дефектного слоя (микроскопия), поверхностный относительный износ по задней кромке (целевой предел для чистовой обработки b ≤0,25–0,3 мм), фиксировать производительность и себестоимость детали.
6. Корректировка: при превышениях — снизить скорость/увеличить СОЖ/сменить покрытие или геометрию; повторить проверку до стабильности показателей.
7. Внедрение в серию: обновить программы CAM, ввести контрольные точки (проверки через N деталей), обучить персонал по протоколам проверки режима.

Контрольные значения и критерии допуска: глубина дефектного слоя <50 мкм (чистовая), <100–200 мкм (получистовая); поверхностный относительный износ по задней кромке b ≤0,25–0,5 мм в зависимости от этапа; стабильность производительности и соответствие себестоимости запланированным целям.

Экономические советы: переход на дорогие пластины (керамика, минералокерамика, PCD) оправдан, если при их применении снижается общая себестоимость детали или время цикла уменьшается настолько, что TCO окупает вложение в срок <6–12 месяцев. Ищите порог: повышение производительности ≥2× или снижение частоты смены инструмента более чем на 50% обычно делает переход экономически целесообразным.

Таблицы, приложения и ресурсы для скачивания

Здесь собраны все табличные материалы и ссылки для оперативного использования: готовые файлы в формате CSV/Excel (табл. 1 — диапазоны режимов, табл. 2 — режимы по маркам, табл. 3 — матрицы чистовой обработки) доступны для PDF скачать и загрузки в CAM. Ресурсы включают методики и справочные документы: Каратыгин (методики по стойкости), А. Д. Макаров (режимы резания), публикации на CyberLeninka (Afonasov) и технические руководства производителей (Sandvik Coromant, ISCAR, Kennametal, Enex).

Рекомендуемые файлы: "modes_titan_table1.csv", "modes_by_grade_tab2.xlsx", "vt1_matrix_tab3.pdf". Для цитирование укажите первоисточники и DOI, где они указаны. Дополнительно — подборка PDF с практическими руководствами и контактами производителей (Enex, Sandvik Coromant, минералокерамика SSY) для быстрой интеграции в производство.

Список литературы и ссылки

Ниже — структурированный список первичных источников и рекомендаций для углублённого изучения. По возможности в скобках указаны типы файлов (PDF) и площадки (CYBERLENINKA), где доступны полные тексты или citation_pdf_url/DOI.

• Каратыгин — практические методики по стойкости инструмента и режимам резания; полезен для составления табл. режимов (PDF, техническое руководство).
• А. И. Афонасов (Afonasov) — экспериментальные исследования зависимости интенсивности износа от скорости (публикация на CYBERLENINKA, citation_pdf_url/DOI при наличии).
• А. Д. Макаров — сборник технологий обработки титана, рекомендации по геометрии и поверхностной обработке (методические указания, PDF).
• Технические руководства производителей: Sandvik Coromant, ISCAR, Kennametal — каталоги и практические справочники по материалам пластин и покрытиям (PDF/онлайн‑справочники).
• Enex / Editorum — кейсы по минералокерамике и УЗ‑введению энергии (производственные отчёты и статьи).

Рекомендации для углубления: методики по стойкостным испытаниям (стендовые протоколы), руководства производителей по режимам и покрытиям, а также анализы на CYBERLENINKA и DOI‑ссылки для быстрой загрузки citation_pdf_url. При цитировании используйте оригинальные источники и DOI, если доступны.

Интерактивный калькулятор режимов резания (веб‑инструмент) — спецификация и шаблон

Калькулятор — веб‑инструмент для быстрого подбора режимов резания по входным параметрам с использованием матрицы (табл. 1–3) как базы знаний.

Входы: марка сплава (ВТЗ‑1, ВТ9, ВТ6, ВТ1–0 и пр.), диаметр заготовки, этап обработки (черновая/получистовая/чистовая), требуемая точность/поверхностная производительность, ограничение по стойкости/стоимости, наличие внутренней подачи СОЖ.

Выходы: рекомендованные диапазоны скорость резания V (м/мин), подача f (мм/об), глубина резания ap (мм); рекомендованный материал пластины и покрытие; предупреждения («опасная зона диффузии», «риск налипания»); ссылка на CSV/Excel с табл. 1/2/3.

Логика и приоритеты: базовая матрица режимов → применение поправочных коэффициентов по диаметру/жёсткости → приоритет: если выбран режим «стойкость» → смещение к меньшим V/большим f; приоритет «производительность» → смещение к большим V при допустимой стойкости. Опасные зоны помечаются по порогам температуры и износа.

Шаблон API (пример)

{"POST /api/calc": {"input": {"grade":"VT6","diameter_mm":50,"stage":"clean","priority":"stability"},"output": {"V_min":50,"V_max":90,"f_min":0.05,"f_max":0.12,"ap":0.2,"tool":"ВК8 + AlTiN","warnings":["Высокая контактная температура при V>90"]}}

Валидация вводов: диапазоны для диаметра/шагов, проверка совместимости сплава↔инструмент, защита от некорректных комбинаций. Экспорт результата в CSV/JSON для программирования в CAM и дальнейшего моделирования процесса.

Стандартизованные протоколы ускоренных стойкостных испытаний и шаблоны протоколов измерений

Ниже — готовый шаблон протокола и формы измерений для ускоренных стойкостных испытаний инструмента при обработке титана и жаропрочных сплавов. Протокол ориентирован на воспроизводимость и быструю интерпретацию результатов (рекомендации по A. Д. Макарову и практикам стойкостных испытаний).

Шаблон протокола испытаний

• Цель испытания: (например, определить ресурс пластины ВК8+AlTiN при обработке ВТ6 при режиме X).
• Материал заготовки: марка, состояние, термообработка, размер.
• Инструмент: тип пластины, марка, покрытие, геометрические параметры (передний угол, задний угол, радиус носка).
• Оборудование и датчики: станок, динамометр, тепловизор, термопара (встроенная/естественная), микроскоп МИР-1М.
• Режимы резания: скорость резания V (м/мин), подача f (мм/об), глубина ap (мм). Указать матрицу испытаний (по V и f) и шаги изменения.
• Длительность: критерий остановки — достижение порога износа b0пз или пробег Lmax (например, 1000 м пути резания).
• Критерии остановки: порог по поверхностному относительному износу (b0пз ≥ 0.3–0.5 мм для черновой/получистой границы), температура > Tmax (зависит от покрытия), резкий рост сил резания >20% за N минут.

Форма измерений (регистр данных)

№ прохода	Время, мин	Длина пути, м	V, м/мин	f, мм/об	ap, мм	Темп. avg, °C (тепловизор/термопара)	Fx/Fy/Fz, N (динамометр)	Износ передней, мм	Износ по задней поверхности b0пз, мм	Примечания
1

Методы измерений: глубину и ширину износа фиксируют оптически микроскопом (МИР-1М), измерения температур — тепловизором для картирования зоны и термопарой для контрольных точек. Динамику сил контролируют динамометром. Регистрация происходит через фиксированные интервалы пути (например, каждые 50–200 м).

Ускоренные испытания: применяются увеличенные нагрузки (ap↑, f↑) или повышенные скорости с целью ускорения этапов износа при контролируемой температуре; важно сохранять соизмеримость с реальными режимами и корректировать коэффициенты при интерпретации.

Интерпретация результатов и расчет b0пз:

• Поверхностный относительный износ (b0пз) измеряется как максимальная ширина износа по задней поверхности пластины, мм. Записывается после каждого контрольного интервала.
• Оценка стойкости: строится график b0пз vs длина пути. Линейная скорость нарастания db/dL даёт скорость изнашивания; ресурс до критического bcrit (например, 0.3 мм для чистовой) = bcrit / (db/dL).
• Прием режима: если ресурс ≥ требуемого (по количеству деталей или времени) и глубина дефектного слоя на заготовке в пределах допуска, режим считается пригодным.

Протоколы оформляются в единой форме и архивируются (с указанием программирования в CAM и результатов моделирования процесса). Рекомендуется использовать стандартизированные шаблоны Excel/CSV для импорта в системы анализа и последующей агрегации данных по стойкостным испытаниям.

Экономический анализ (TCO) — шаблон расчёта и примеры

Шаблон TCO даёт объективную картину: учитывать нужно не только цену пластины, но и её стойкость, влияние на производительность и сопутствующие затраты (простои, переналадка, обработка). Ниже — формула, шаблон расчёта и пример для сравнения карбида и минералокерамики.

Базовая формула TCO (на деталь):
TCO = (C_plate / N_parts_per_plate) + C_machine_time + C_setup + C_consumables
где C_plate — стоимость пластины; N_parts_per_plate = (T_tool_life * Productivity) / part_volume; Productivity — объём снятого материала (мм3/мин) или количество деталей/час; C_machine_time = machining_time_per_part * machine_cost_per_min; C_setup — доля стоимости переналадок; C_consumables — СОЖ, вспомогательные расходы.

Шаблон расчёта (поля):

• Цена пластины, руб (C_plate)
• Стойкость инструмента, мин (T_tool_life)
• Производительность, мм3/мин или деталей/час (Productivity)
• Время обработки одной детали, мин
• Стоимость машинного времени, руб/мин
• Стоимость переналадки/смены, руб
• Прочие расходы (СОЖ, инспекция), руб/деталь

Пример: карбид vs минералокерамика
Допущения: карбид — C_plate=100 руб, T_tool_life=60 мин, Productivity=1000 мм3/мин; минералокерамика — C_plate=1000 руб, T_tool_life=600 мин, Productivity=30000 мм3/мин (в ряде сценариев до 30× роста). Машинное время/деталь и прочие расходы одинаковы для простоты.

	Карбид	Минералокерамика
Цена пластины C_plate, руб	100	1000
Стойкость, мин	60	600
Производительность, мм3/мин	1000	30000
N_parts_per_plate (условно)	=(60*1000)/Vpart	=(600*30000)/Vpart

При одинаковом объёме детали минералокерамика даёт значительно большее N_parts_per_plate, поэтому вклад стоимости пластины в TCO падает, а общая себестоимость/деталь может снизиться несмотря на более высокую цену – особенно при высоких требованиях к производительности и при высокой трудоемкости обработки.

Рекомендации по порогам принятия решения (ROI):

• Переход на более дорогую пластину оправдан, если она уменьшает общую себестоимость детали ≥10–20% либо сокращает цикл/увеличивает выпуск ≥2×.
• Если стойкость увеличивается >3–5× и/или производительность увеличивается ≥2×, ожидаемый ROI обычно достигается в 6–12 месяцев.
• При сценариях с возможным увеличением производительности до 30× (редкие кейсы) экономический эффект может быть критическим для принятия решения о массовом внедрении минералокерамики или керамики.

Вывод: используйте шаблон TCO с реальными параметрами вашего производства (включая трудоемкость обработки и стоимость простоев), чтобы объективно сравнить карбид, керамику, минералокерамику и PCD. Решение должно опираться на расчёт себестоимости/деталь и ожидаемый ROI, а не только на цену пластины.

Унифицированный набор иллюстраций и фотоматериалов (чертежи, фотографии типов износа, тепловые схемы)

Перечень изображений и техническое задание для подготовки набора иллюстраций, необходимых для статьи и презентаций.

• Чертежи геометрии резца: виды (вид сбоку, вид сверху, сечение клина) с указанием переднего угла, заднего угла, главного угла в плане и радиуса носка. Формат: вектор (SVG/PDF), масштаб 1:1 и 2:1.
• Фото типов износа: адгезия (built‑up edge), абразивное истирание, диффузионные процессы, лункообразование. Макрофото и микрофото (микроскоп МИР‑1М) с масштабной линейкой.
• Тепловые схемы и карты: распределение температуры в зоне резания (тепловизор) — цветовая карта, дискретная легенда; отдельный график температуры по времени/пути.
• Фото до/после обработки: общий вид детали и крупный план поверхности, высокий контраст, одинаковая ракурса для сравнения.
• Схемы стружкообразования и стружколомов: эскизы форм стружки и рекомендуемых стружколомов (векторные).

Технические требования:

• • Разрешение фото: для веб — минимум 1200 px по большей стороне, для печати — 300 dpi при реальном размере; микрофотографии — TIFF 16 бит, масштабная линейка и указание увеличения (×).
  • Форматы: растровые JPEG/PNG/TIFF; векторные SVG/PDF/AI для чертежей и эскизов.
  • Подписи и метки: указывать углы/размеры прямо на рисунке, масштабную линейку, единицы (мм, °), условные обозначения; для тепловых схем — цветовая легенда с диапазоном температур (°C).

<li>Эскизы для генерации: предоставить исходники в векторе и отдельные слои (углы, подписи, шрифты).

Шаблоны подписей и легенд:

• Рис. N — Геометрия резца (вид сверху): передний угол α = __°, задний угол γ = __°, радиус r = __ мм.
• Рис. N+1 — Типичный вид износа: адгезия. Увеличение ×__, микроскоп МИР‑1М.
• Рис. N+2 — Тепловая карта: температура резания Tmax = __°C; шкала цветов: синий (нижние) → красный (верхние).

Практические CAM-примеры и настройки (шаблоны)

Ниже — практические примеры программирования в САМ и шаблоны настроек для токарной и фрезерной обработки титана. Примеры опираются на таблицы режимов (V, S, t) и учитывают специфику моделирования процесса и жёсткости стана.

Токарная обработка — стратегии

• Черновое точение: V=30–60 м/мин; подача S (f)=0.18–0.35 мм/об; глубина t (ap)=2–4 мм. Выбор инструмента: прочная пластина ВК4/ВК3, отрицательная геометрия, крупный радиус носка.
• Получистовой проход: V=50–90 м/мин; f=0.08–0.18 мм/об; ap=0.5–1.5 мм; пластина ВК8+AlTiN или минералокерамика для уменьшения дефектного слоя.
• Чистовая обработка: V=80–120 м/мин; f=0.05–0.12 мм/об; ap=0.1–0.3 мм; положительная геометрия, пластины‑wiper для улучшения качества поверхности.

Фрезерование — шаблоны

• Черновая фреза: ae большой, ap 2–6 мм, V=40–80 м/мин, подача на зуб S_z = 0.03–0.08 мм/зуб.
• Чистовая фреза: ae малый, ap 0.5–1.0 мм, V=60–100 м/мин, S_z = 0.01–0.04 мм/зуб.

Шпиндель и расчёты: RPM = (1000 × V) / (π × D). Проверяйте допустимые обороты выбранного инструмента и балансировку. В CAM указывайте реальное V и автоматический расчёт S по числу зубьев.

Моделирование контакта и проверка коллизий: включайте симуляцию удаления материала, проверку engagement (вовлечённости), оценку перегрузок инструмента и проверку столкновений (gouge detection). По возможности используйте FEM‑плагин для оценки тепловых зон и распределения силы резания.

Интеграция таблиц режимов как профилей инструмента: загрузите табл. 1/2/3 как CSV в библиотеку инструментов CAM; каждый профиль инструмента содержит поля: tool_id, V_min, V_max, f_min, f_max, ap_recommended, coolant, coating.

Шаблон CSV для экспорта (колонки): tool_id, name, diameter_mm, V_m_per_min, feed_mm_per_rev, ap_mm, ae_mm, coolant(internal/external), comment.

Проверочные чек‑пойнты перед запуском:

• проверка инструментальных смещений и offsets;
• air‑cut (эмуляция без режущей нагрузки) для проверки траектории;
• контроль биения/баланса инструмента и заготовки;
• наладка подачи СОЖ (внутренняя/внешняя);
• проверка ограничений по скорости режущего инструмента, безопасные зоны (warnings по over‑engagement).

Применяйте эти шаблоны как основу, корректируя V, S, t в CAM по результатам моделирования процесса и пилотных пробных режимов; фиксируйте результаты и обновляйте профили инструмента в библиотеке для дальнейшей автоматизации программирования в САМ.

Безопасность и обращение с СОЖ/маслами — нормативы и практики

Правильный выбор и обращение со смазочно-охлаждающими жидкостями (СОЖ) — фундамент безопасности и соблюдения нормативов при обработке титана. Предпочтительны экологичные водные эмульсии и биостабилизированные синтетики; сульфурированные и хлорированные масла применять только при необходимости и по согласованию с отделом охраны труда из‑за сложностей утилизации и возможного образования вредных побочных продуктов при нагреве.

• Хранение и утилизация: хранить в герметичных ёмкостях с маркировкой и SDS, избегать смешивания разных классов СОЖ; отработанную СОЖ сдавать лицензированному оператору утилизации, следовать местным нормативам по утилизации хлорсодержащих/сульфурированных масел.
• Эксплуатация и мониторинг: регулярно (еженедельно) удалять постороннее масло (tramp oil), контролировать рН и концентрацию эмульсии; замена/глубокая фильтрация каждые 3–6 месяцев для эмульсий и 6–12 месяцев для синтетики в зависимости от загрязнения.
• Вентиляция и фильтрация: применять местную вытяжку и маслоловушки/микрокапельные сепараторы и очистку аэрозолей (масловлагоуловители, картриджи), чтобы снизить образование тумана и ухудшение воздуха в цехе.
• СИЗ и практики безопасности: обязательны защитные перчатки (нитрил), защитные очки/щиток, защитный фартук; при обдуве стружки — защита органов дыхания и лицевой щит; при работе с хлорсодержащими продуктами — дополнительные средства защиты и контроль концентраций в помещении.

Внедрите журнал учёта СОЖ (проверки, фильтрация, замены), инструкции по аварийной утечке и обучение персонала — это снижает риски и обеспечивает соответствие требованиям безопасности и экологии.

Чек‑лист по валидации режима на пилотном участке и критерии приостановки

Краткий оперативный протокол для пилотного запуска режима на производстве — быстрый чек‑лист с числовыми порогами и действиями при превышении.

1. Подготовка: малые партии (5–20 деталей), маркировка инструментов и установка инструментальных меток; подготовить журнал замеров и средства измерений (термопара/тепловизор, микроскоп, прибор для b0пз).
2. Запуск и замеры: запуск по выбранному режиму, фиксировать через интервалы — каждые 15–30 минут или каждые 50–200 м пути резания (в зависимости от операции) значения: контактная температура, силы резания, поверхностная производительность, визуальный осмотр износа.
3. Критерии приостановки (ориентиры):
   • Интенсивность износа / износ по задней поверхности b0пз: >0.30 мм для чистовой обработки → приостановить; >0.50 мм для получистовой → приостановить; >0.80 мм для черновой → приостановить.
   • Контактная температура: >700 °C — тревога (усиленный мониторинг); >800 °C — немедленная остановка и разбор причин (риск диффузионного износа/лункообразования).
   • Глубина дефектного слоя на заготовке (скрытые измерения): превышение допустимого предела для этапа (чистовая <50 µm; получистовая <200 µm) — приостановка.
   • Качество поверхности: Ra выше целевого более чем на 30% — остановка и проверка геометрии/инструмента.
4. Действия при превышении порога:
   1. 1. Остановить партию, сохранить инструмент и заготовки для анализа.
      2. Провести быстрый аудит: проверка закрепления/жёсткости, СОЖ (подача/концентрация), визуальный и микроскопический осмотр износа (МИР‑1М) и тепловая съёмка.
      3. Корректировки: уменьшение скорости V (10–30%), уменьшение подачи или ap; при адгезии — смена покрытия/DLC или переход на внутреннюю подачу СОЖ; при высоких температурах — усиление охлаждения/снижение V и уменьшение радиуса носка.

   <li>Повторный пилотный прогон с фиксированными замерами; при стабилизации показателей — постепенное наращивание партии.

5. Фиксация и принятие режима: режим считается принятым при повторяемости показателей в ≥3 подряд малых партиях, соответствующих критериям по глубине дефектного слоя, b0пз и контактной температуре; внештатные события документируются и анализируются для обновления протоколов.