ipolytechiPolytech JournaliPolytech Journal2782-40042782-6341Irkutsk National Research Technical University10.21285/1814-3520-2025-4-466-476XBITUEipolytech-987Research ArticleМАШИНОСТРОЕНИЕMECHANICAL ENGINEERINGОпределение оптимального режима точения ультрамелкозернистых титановых сплавов системы TiNbZr методом ТагучиOptimization of turning parameters for ultrafine grained Ti–Nb–Zr alloys using the Taguchi methodhttps://orcid.org/0000-0001-8949-6345КузнецовВ. П.KuznetsovV. P.

Виктор Павлович Кузнецов, д.т.н., профессор,профессор кафедры термообработки и физики металлов; заведующий лабораторией научных исследований биомеханики и инжиниринга

620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19;

640041, г. Курган, ул. Марии Ульяновой, 6

 

Viktor P. Kuznetsov, Dr. Sci. (Eng.), Professor, Professor of the Department of Heat Treatment and Physics of Metals; Head of the Laboratory of Scientific Researchin Biomechanics and Engineering

19, Mira St., Ekaterinburg 620002;

6 Maria Ulyanova St., Kurgan 640041

 

wpkuzn@mail.ruhttps://orcid.org/0009-0009-9603-5980ГончаровД. С.GoncharovD. S.

Дмитрий Сергеевич Гончаров, аспирант

620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19

Dmitrii S. Goncharov, Postgraduate Student

19, Mira St., Ekaterinburg 620002

goncharovv.d@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7353-9582БлинковО. Г.BlinkovO. G.

Олег Геннадьевич Блинков, д.т.н., доцент, заведующий кафедрой «Технологии машиностроения, станки и инструменты»

620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19

Oleg G. Blinkov, Dr. Sci. (Eng.), Associate Professor, Head of the Department of Mechanical Engineering Technologies, Machine Tools and Instruments

19, Mira St., Ekaterinburg 620002

o.g.blinkov@urfu.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5037-245XШаркеевЮ. П.SharkeevYu. P.

Юрий Петрович Шаркеев, д.ф-м.н., профессор,главный научный сотрудник лаборатории физики наноструктурных биокомпозитов

634055, г. Томск, просп. Академический, 2/4

Yurii P. Sharkeev, Dr. Sci. (Phys.-Math), Professor, Chief Researcher of the Laboratory of Physics of Nanostructured Biocomposites

2/4 Akademicheskii pr., Tomsk 634055

sharkeev@ispms.ruУральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина; Национальный медицинский исследовательский центр травматологии и ортопедии имени академика Г.А. ИлизароваРоссияUral Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin; National Ilizarov Medical Research Centre for Traumatology and OrtopaedicsRussian FederationУральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. ЕльцинаРоссияUral Federal University named after the first President of Russia B.N. YeltsinRussian FederationИнститут физики прочности и материаловедения СО РАНРоссияInstitute of Strength Physics and Materials Science SB RASRussian Federation202503012026294466476Copyright © Кузнецов В.П., Гончаров Д.С., Блинков О.Г., Шаркеев Ю.П., 20252025Кузнецов В.П., Гончаров Д.С., Блинков О.Г., Шаркеев Ю.П.Kuznetsov V.P., Goncharov D.S., Blinkov O.G., Sharkeev Y.P.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ipolytech.elpub.ru/jour/article/view/987

Целью данного исследования является оптимизация режимов точения сплавов системы Ti-Nb-Zr для минимизации шероховатости поверхности. Объектом исследования служили заготовки из двух ультрамелкозернистых титановых сплавов с номерами плавок 92 и 94 системы Ti-Nb-Zr. Для повышения механических свойств за счет получения УМЗ-структуры в заготовках использовался метод ABC-прессования с последующей ручьевой прокаткой. Планирование эксперимента было проведено с использованием метода ортогональных матриц Г. Тагучи, что позволило ранжировать параметры технологического процесса точения по степени их влияния на выходную характеристику процесса. В ходе эксперимента определены оптимальные значения режимов точения для достижения минимальной величины шероховатости поверхности ультрамелкозернистых титановых сплавов. Установлено, что наименьшее значение шероховатости поверхности достигается при скорости резания 60 м/мин и подаче 0,07 мм/об для сплава 94, содержащем в качестве легирующих элементов олово и тантал, а также скорости резания 30 м/мин и подаче 0,07 мм/об для сплава 92 без содержания олова и тантала, при этом максимальное влияние на шероховатость оказывает скорость резания. Для образцов с наименьшей шероховатостью поверхности определены значения микротвердости поверхностного слоя: для сплава 92 – среднее значение микротвердости HV0,05 составило 321 HV, для сплава 94 – 252 HV. Микротвердость сплава 92, не содержащего олова и тантала, увеличилась на 14,6% в сравнении с первоначальным значением 280 HV. Таким образом, сочетания режимов точения, установленные в ходе исследования, можно назвать оптимальными для достижения минимальной шероховатости поверхности сплавов 92 и 94 системы Ti-Nb-Zr. Оптимальные режимы точения применены при изготовлении имплантов для остеоинтеграционного протезирования. В будущем планируется проведение исследования по определению оптимальной комбинации технологических параметров процесса резьбонарезания при изготовлении биомедицинских имплантатов из сплавов системы Ti-Nb-Zr.

This study aimed to optimize turning parameters for Ti–Nb–Zr alloys in order to minimize surface roughness. Billets of two ultrafine-grained (UFG) titanium alloys, melt batches 92 and 94 of the Ti–Nb–Zr system, were investigated. To enhance mechanical properties, we produced a UFG structure by abc-pressing of billets followed by groove rolling. Experimental design employed the Taguchi method of orthogonal arrays, which enabled ranking of the technological parameters of the turning process according to their influence on the output characteristics. The experiment determined the optimal turning parameters for achieving minimal surface roughness in UFG titanium alloys. The lowest surface roughness was achieved at a feed rate of 0.07 mm/rev. The cutting speed was 60 m/min for alloy 94, which contained tin and tantalum as alloying elements, and 30 m/min for alloy 92, which contained neither tin nor tantalum. Cutting speed was found to exert the greatest influence on surface roughness. For the samples with the lowest surface roughness, the microhardness of the surface layer was measured. The average microhardness HV0.05 was 321 HV for alloy 92 and 252 HV for alloy 94. The microhardness of alloy 92 increased by 14.6% compared to its initial value of 280 HV. Thus, the turning parameters established in this study can be considered optimal for achieving minimal surface roughness in alloys 92 and 94 of the Ti–Nb–Zr system. The optimized turning parameters were applied in the fabrication of implants for osseointegration prosthetics. Future work will focus on determining the optimal combination of technological parameters for the thread-cutting process in the manufacture of biomedical implants from Ti–Nb–Zr alloys.

ультрамелкозернистые титановые сплавышероховатость поверхностиповерхностное упрочнениеметод Тагучиultrafine-grained titanium alloyssurface roughnesssurface hardeningTaguchi methodРабота выполнена в молодежной лаборатории модификации поверхностей материалов ФГАОУ ВО «Уральский Федеральный Университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» в рамках соглашения с Министерством науки и высшего образования № 075-03-2025-258 от 17.01.2025 (№ темы FEUZ-2024-0020).This work was carried out at the Youth Laboratory for Material Surface Modification at the Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin under agreement with the Ministry of Science and Higher Education № 075-03-2025-258 of January 17, 2025 (subject no. FEUZ-2024-0020).ReferencesChen Yu., Han Pingping, Dehghan-Manshadi A., Kent D., Ehtemam-Haghighi Sh., Jowers C., et al. Sintering and biocompatibility of blended elemental Ti-xNb alloys // Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 2020. Vol. 104. P. 103691. https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2020.103691. EDN: KLEIQC.Chen Yu., Han Pingping, Dehghan-Manshadi A., Kent D., Ehtemam-Haghighi Sh., Jowers C., et al. Sintering and biocompatibility of blended elemental Ti-xNb alloys. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 2020;104:103691. https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2020.103691. EDN: KLEIQC.Abdel-Hady G.M., Niinomi M. Biocompatibility of Ti-alloys for long-term implantation // Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 2013. Vol. 20. Р. 407–415. https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2012.11.014. EDN: RMMTLD.Abdel-Hady G.M., Niinomi M. Biocompatibility of Ti-alloys for long-term implantation. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 2013;20:407-415. https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2012.11.014. EDN: RMMTLD.Mishchenko O., Pogorielov M., Ovchynnykov O., Kapustian O. New Zr-Ti-Nb alloy for medical application: development, chemical and mechanical properties, and biocompatibility // Materials. 2020. Vol. 13. Iss. 6. Р. 1306. https://doi.org/10.3390/ma13061306. EDN: SSBOFU.Mishchenko O., Pogorielov M., Ovchynnykov O., Kapustian O. New Zr-Ti-Nb alloy for medical application: development, chemical and mechanical properties, and biocompatibility. Materials. 2020;13(6):1306. https://doi.org/ 10.3390/ma13061306. EDN: SSBOFU.Zhang Yuqing, Sun Danni, Cheng Jun, Tsoi James Kit Hon, Chen Jiang. Mechanical and biological properties of Ti-(0-25 Wt%)Nb alloys for biomedical implants application // Regenerative Biomaterials. 2019. Vol. 7. Iss. 1. Р. 119–127. https://doi.org/10.1093/rb/rbz042. EDN: ZUUGDE.Zhang Yuqing, Sun Danni, Cheng Jun, Tsoi James Kit Hon, Chen Jiang. Mechanical and biological properties of Ti-(0-25 Wt%)Nb alloys for biomedical implants application. Regenerative Biomaterials. 2019;7(1):119-127. https://doi.org/10.1093/rb/rbz042. EDN: ZUUGDE.Angelescu R.M., Raducanu D., Cojocaru V.D., Angelescu M.L., Butu M., Cinca I., et al. Microstructural and mechanical evaluation of a Ti-Nb-Ta alloy // Scientific Bulletin-University Politehnica of Bucharest. 2015. Vol. 77. Iss. 3. Р. 221–228.Angelescu R.M., Raducanu D., Cojocaru V.D., Angelescu M.L., Butu M., Cinca I., et al. Microstructural and mechanical evaluation of a Ti-Nb-Ta alloy. Scientific Bulletin-University Politehnica of Bucharest. 2015;77(3):221-228.Kim Kyong Min, Kim Hee Young, Miyazaki S. Effect of Zr content on phase stability, deformation behavior, and young’s modulus in Ti-Nb-Zr alloys // Materials. 2020. Vol. 13. Iss. 2. Р. 476. https://doi.org/10.3390/ma13020476. EDN: XTDXUB.Kim Kyong Min, Kim Hee Young, Miyazaki S. Effect of Zr content on phase stability, deformation behavior, and young’s modulus in Ti-Nb-Zr alloys. Materials. 2020;13(2):476. https://doi.org/10.3390/ma13020476. EDN: XTDXUB.Boubaker H.B., Le-Coz G., Moufki A., Nouari M., Laheurte P. Experimental and numerical investigations of cutting forces and chip formation during precision cutting of Ti42Nb titanium alloy produced by laser-based powder bed fusion // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2024. Vol. 131. Iss. 2. Р. 701–717. https://doi.org/10.1007/s00170-023-11511-0. EDN: XMLOYY.Boubaker H.B., Le-Coz G., Moufki A., Nouari M., Laheurte P. Experimental and numerical investigations of cutting forces and chip formation during precision cutting of Ti42Nb titanium alloy produced by laser-based powder bed fusion. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2024;131(2):701-717. https://doi.org/10.1007/s00170-023-11511-0. EDN: XMLOYY.Maurotto A., Roy A., Babitsky V.I., Silberschmidt V.V. Analysis of machinability of Ti- and Ni-based alloys // Solid State Phenomena. 2012. Vol. 188. Р. 330–338. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/SSP.188.330. EDN: PQFLAR.Maurotto A., Roy A., Babitsky V.I., Silberschmidt V.V. Analysis of machinability of Ti- and Ni-based alloys. Solid State Phenomena. 2012;188:330-338. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/SSP.188.330. EDN: PQFLAR.Takahashi M., Kikuchi M., Takada Yu. Grindability of Ti−Nb−Cu alloys for dental machining applications // Metals. 2022. Vol. 12. Iss. 5. Р. 861. https://doi.org/10.3390/met12050861. EDN: DAPFER.Takahashi M., Kikuchi M., Takada Yu. Grindability of Ti−Nb−Cu alloys for dental machining applications. Metals. 2022;12(5):861. https://doi.org/10.3390/met12050861. EDN: DAPFER.Jiang Shengxian, Sakurai J., Aono Y., Hata S. Novel evaluation method for machinability of Ni-Nb-Ti alloy // The Proceedings of the Materials and Processing Conference. 2013. Vol. 21. Р. 632-1–632-1. https://doi.org/10.1299/jsmemp.2013.21._632-1_.Jiang Shengxian, Sakurai J., Aono Y., Hata S. Novel evaluation method for machinability of Ni-Nb-Ti alloy. The Proceedings of the Materials and Processing Conference. 2013;21:632-1–632-1. https://doi.org/10.1299/jsmemp.2013.21._632-1_.Sakthivelu S., Anandaraj T. Prediction of optimum machining parameters on surface roughness and MRR in CNC drilling of AA6063 alloy using design of experiments // International Journal of Engineering Research and Technology. 2017. Vol. 5. Iss. 13. Р. 1–5. https://doi.org/10.17577/IJERTCONV5IS13078.Sakthivelu S., Anandaraj T. Prediction of optimum machining parameters on surface roughness and MRR in CNC drilling of AA6063 alloy using design of experiments. International Journal of Engineering Research and Technology. 2017;5(13):1-5. https://doi.org/10.17577/IJERTCONV5IS13078.Krishnaprakasha, Pavitra A. Optimization of drilling parameters on surface roughness of Al 1200-SiC composites using Taguchi analysis // IOSR Journal of Mechanical and Civil Engineering. 2018. Vol. 15. Iss. 3. Р. 77–84. https://doi.org/10.9790/1684-1503047784.Krishnaprakasha, Pavitra A. Optimization of drilling parameters on surface roughness of Al 1200-SiC composites using Taguchi analysis. IOSR Journal of Mechanical and Civil Engineering. 2018;15(3):77-84. https://doi.org/10.9790/1684-1503047784.Suthar J., Teli S.N., Murumkar A. Drilling process improvement by Taguchi method // Materialstoday: Proceedings. 2021. Vol. 47. Part 11. P. 2814–2819. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2021.03.533.Suthar J., Teli S.N., Murumkar A. Drilling process improvement by Taguchi method. Materialstoday: Proceedings. 2021;47(11):2814-2819. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2021.03.533.Kuznetsov V.P., Dmitriev A.I., Anisimova G.S., Semenova Yu.V. Optimization of nanostructuring burnishing technological parameters by Taguchi method // Materials Science and Engineering: IOP Conference Series. 2016. Vol. 124. P. 012022. https://doi.org/10.1088/1757-899x/124/1/012022.Kuznetsov V.P., Dmitriev A.I., Anisimova G.S., Semenova Yu.V. Optimization of nanostructuring burnishing technological parameters by Taguchi method. Materials Science and Engineering: IOP Conference Series. 2016;124:012022. https://doi.org/10.1088/1757-899x/124/1/012022.Кузнецов В.П., Анисимова Г.С., Семенова Ю.В. Оптимизация методом Тагучи параметров наноструктурирующего выглаживания стали 20Х13 по критерию упрочнения поверхностного слоя // Теплофизические и технологические аспекты повышения эффективности машиностроительного производства: тр. IV Междунар. на- уч.-техн. конф. (Резниковские чтения) (г. Тольятти, 27–29 мая 2015 г.). Тольятти: ТГУ, 2015. Т. 1. С. 279–286. EDN: TZDFOD.Kuznetsov V.P., Anisimova G.S., Semenova Yu.V. Optimization of nanostructuring smoothing parameters of 20Kh13 steel by the Taguchi method according to the surface layer hardening criterion. In: Teplofizicheskie i tekhnologicheskie aspekty povysheniya effektivnosti mashinostroitel’nogo proizvodstva: trudy IV Mezhdunarodnoj nauchno-tekhnicheskoj konferencii (Reznikovskie chteniya) = Thermophysical and technological aspects of increasing efficiency of mechanical engineering production: Proceedings of the 4th International Scientific and Technical Conference (Reznikov Readings). 27–29 May 2015, Tolyatti: Tolyatti State University; 2015, p. 279-286. (In Russ.). EDN: TZDFOD.Kuznetsov V.P., Gorgots V.G., Vorontsov I.A., Skorobogatov A.S., Kosareva A.V. Surface hardening of medical parts made of AISI 304 austenitic stainless steel by nanostructuring burnishing // Physical Mesomechanics of Condensed Matter: Physical Principles of Multiscale Structure formation and the Mechanisms of Nonlinear behavior: AIP Conference Proceedings (Tomsk, 5–8 September 2022). Tomsk: AIP Conference Proceedings, 2023. Vol. 2899. Iss. 1. P. 020085. https://doi.org/10.1063/5.0162889. EDN: SZVLIH.Kuznetsov V.P., Gorgots V.G., Vorontsov I.A., Skorobogatov A.S., Kosareva A.V. Surface hardening of medical parts made of AISI 304 austenitic stainless steel by nanostructuring burnishing. In: Physical Mesomechanics of Condensed Matter: Physical Principles of Multiscale Structure formation and the Mechanisms of Nonlinear behavior: AIP Conference Proceedings. 5–8 September 2022, Tomsk. Tomsk: AIP Conference Proceedings; 2023, vol. 2899, Iss. 1, p. 020085. https://doi.org/10.1063/5.0162889. EDN: SZVLIH.Patel R., Patel S., Patel P., Parmar P., Vohra J. Optimization of machining parameters for EN8D carbon steel by Taguchi’s orthogonal array experiments in CNC turning // Materialstoday: Proceedings. 2021. Vol. 44. Part 1. Р. 2325–2329. https://doi.org/10.1016/J.MATPR.2020.12.409.Patel R., Patel S., Patel P., Parmar P., Vohra J. Optimization of machining parameters for EN8D carbon steel by Taguchi’s orthogonal array experiments in CNC turning. Materialstoday: Proceedings. 2021;44(1):2325-2329. https://doi.org/10.1016/J.MATPR.2020.12.409.Lin Yue-Feng, Lai Pei-Yu, Chen Guan-Yu, Zhang Zi-Peng. Optimization of surface roughness and cylindricity using the Taguchi method in boring of S45C steel with tungsten steel and phosphor bronze damping materials // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2024. Vol. 135. Р. 5999–6015. https://doi.org/10.1007/s00170-024-14796-x.Lin Yue-Feng, Lai Pei-Yu, Chen Guan-Yu, Zhang Zi-Peng. Optimization of surface roughness and cylindricity using the Taguchi method in boring of S45C steel with tungsten steel and phosphor bronze damping materials. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2024;135:5999-6015. https://doi.org/10.1007/s00170-024-14796-x.Eroshenko A.Yu., Legostaeva E.V., Uvarkin P.V., Tolmachev A.I., Khimich M.A. Kuznetsov V.P., et al. Evolution of microstructure and mechanical properties of Ti-Nb-Zr and Ti-Nb-Zr-Ta-Sn alloys in severe plastic deformation // Materials Letters. 2025. Vol. 382. Р. 137805. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2024.137805.Eroshenko A.Yu., Legostaeva E.V., Uvarkin P.V., Tolmachev A.I., Khimich M.A. Kuznetsov V.P., et al. Evolution of microstructure and mechanical properties of Ti-Nb-Zr and Ti-Nb-Zr-Ta-Sn alloys in severe plastic deformation. Materials Letters. 2025;382:137805. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2024.137805.Пат. № 2848396, Российская Федерация. С 1, A61L 27/06, A61B 17/86. Способ изготовления компрессионного винта для остеосинтеза костей стопы / В.П. Кузнецов, В.Г. Горгоц, А.С. Судницын, Ю.П. Шаркеев, А.И. Толмачев, А.Ю. Ерошенко, А.В. Корелин, Д.С. Гончаров; заявитель и патентообладатель Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина. № 2024131299. Заявл. 18.10.2024; опубл. 17.10.2025. EDN: PSOUUV.Kuznetsov V.P., Gorgots V.G., Sudnitsyn A.S., Sharkeev Yu.P., Tolmachev A.I., Eroshenko A.Yu., Korelin A.V., Goncharov D.S. Method of manufacturing a compression screw for osteosynthesis of foot bones. Patent RF, no. 2848396; 2024. (In Russ.). EDN: PSOUUV.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.