Определение оптимального режима точения ультрамелкозернистых титановых сплавов системы TiNbZr методом Тагучи

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.

1. 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. Vol. 104. P. 103691. https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2020.103691. EDN: KLEIQC.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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_.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. 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.