Введение. Современное развитие инструментального и формообразующего производства, особенно в авиастроении и машиностроении, характеризуется переходом к гибридным конструкционным решениям, объединяющим металлические и композитные компоненты. Одним из перспективных направлений в этой области является создание металл-композитных систем (МКС), в которых тонкостенные металлические оболочки сочетаются с заполнителями из металлополимерных композиционных материалов (МПКМ), что обеспечивает оптимальное соотношение прочности, теплопроводности и демпфирующих свойств [1].

В последние годы активное распространение получают аддитивные технологии (АТ) [2], позволяющие формировать сложные топологически оптимизированные (ТО) оболочки, включая конструкции с конформными каналами охлаждения, обеспечивающими направленный отвод тепла и повышение температурной стабильности изделий [3]. Для изделий инструментального назначения такой подход особенно важен: например, корпусные сверла (рис. 1), выполненные методом селективного лазерного сплавления (SLM), с внутренними охлаждающими каналами позволяют улучшить теплоотвод от режущей зоны и повысить стойкость твердосплавных головок [4].

Переход к гибридным металл-композитным конструкциям, несмотря на очевидные преимущества, сопровождается новыми технологическими ограничениями. Наиболее значимыми из них являются тепловые процессы при финишной механической обработке, где локальное распределение температуры определяет прочность межфазной адгезии, стабильность геометрии и долговечность изделия. В отличие от монолитных металлических заготовок, тепловой поток при точении МКС концентрируется на границе раздела «металл – МПКМ», где материалы резко различаются по теплопроводности и теплоёмкости [5]. Поскольку металлополимер характеризуется низкой теплопроводностью и ограниченной термостойкостью (до 170 °C), даже кратковременный перегрев может вызвать термодеструкцию, снижение адгезии и деформацию оболочки [6].

Проведённый анализ литературных данных показывает, что существующие исследования в области термонагруженности при резании охватывают главным образом однородные металлические сплавы [7] или металломатричные композиты [6], где температурное поле описывается через механизмы трения и упрочнения поверхностных слоёв. В работах по тонкостенным деталям [8] основное внимание уделяется повышению жёсткости и виброустойчивости за счёт специальных систем базирования и приспособлений [9]. При этом гибридные металл-полимерные структуры остаются практически неизученными в части закономерностей теплопередачи при точении.

Кроме того, традиционные аналитические и численные модели теплообмена, применяемые при моделировании резания, разрабатывались для материалов с однородными теплофизическими свойствами и не учитывают разрыв теплопроводности на межфазной границе [8]. Это делает невозможным прямое использование известных зависимостей для прогнозирования температуры в МКС, где взаимодействуют металлическая и металлополимерная компоненты.

Дополнительное влияние на термонагруженность оказывают условия охлаждения и смазки, выбор инструментальных материалов и покрытий. Известно, что применение PVD-покрытий в сочетании с оптимизированными режимами повышает стойкость инструмента при обработке жаропрочных сплавов [10], а модификация СOTС (смазочно-охлаждающих технологических средств) позволяет снизить температуру контакта при точении титановых и алюминиевых сплавов [11]. Для аддитивных материалов, полученных методом наплавки, отмечено повышение температурных градиентов из-за различий теплопроводности слоёв [12]. Эти эффекты особенно значимы при обработке изделий, имеющих комбинированную структуру из металла и полимера.

Для аддитивно полученных оболочек также характерна повышенная шероховатость и остаточные напряжения [13], влияющие на локальный теплообмен и формирование контактной температуры [14]. Это дополнительно усложняет выбор рациональных режимов обработки, требуя построения экспериментально верифицированных моделей теплового отклика.

Таким образом, в современной научной картине сохраняется пробел в знании, связанный с отсутствием экспериментально подтверждённых данных и верифицированных регрессионных моделей, описывающих температурный отклик металл-композитных систем при финишной обработке. Особенно недостаточно изучено влияние толщины металлической оболочки на эффективность отвода тепла и на характер температурного градиента в зоне контакта «металл – МПКМ».

Цель данного исследования заключается в экспериментальном определении температурного отклика металл-композитной системы с толщиной металлической оболочки 3,5 мм при точении, а также в построении регрессионной модели зависимости температуры на межфазной границе от режимов резания (V, S, t).

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

Реализация поставленных задач направлена на формирование инженерно применимой методики выбора режимов финишной обработки металл-композитных систем, обеспечивающей контроль термонагруженности и сохранность структуры металлополимерного наполнителя.

Материалы и методы. Экспериментальные исследования направлены на определение закономерностей теплового отклика металл-композитной системы (МКС) при точении, с учётом геометрического параметра — толщины металлической оболочки. Для имитации реальной структуры гибридных изделий была разработана программно-аппаратная установка, включающая сменную металлическую втулку и внутренний заполнитель из металлополимерного композиционного материала (МПКМ).

Разработка установки, модель которой показана на рис. 2 позволила моделировать условия точения фрагмента гибридной детали с заданной толщиной стенки и регистрировать температуру в реальном времени на межфазной границе «металл – МПКМ».

Основным элементом установки являлся корпус из конструкционной стали 40, обеспечивавший надёжное базирование в патроне токарного станка 16К20. Внутри корпуса закреплялась сменная втулка из стали 12Х18Н10Т (аналог AISI 321), обладающей низкой теплопроводностью (~15–16 Вт/(м·К)) и устойчивостью к высоким температурам, что делает её подходящей моделью для высоколегированных сталей, применяемых в аддитивном производстве [15]. Металлические втулки имели форму цилиндрических втулок с внутренним диаметром 53 мм, наружным диаметром 60 мм, что соответствовало толщине металлической части δ = 3,5 мм. Этот элемент моделировал металлическую оболочку реальной гибридной детали и позволял варьировать геометрические параметры для последующих исследований. На рис. 3 показана обработанная сменная втулка.

Во внутреннюю полость втулки устанавливалась вставка из металлополимерного композиционного материала (МПКМ) «Ферро-хром»1, предварительно отформованная под номинальный диаметр и закреплённая с применением термопасты КПТ-8 для улучшения теплового контакта. МПКМ включает термореактивную эпоксидную матрицу, наполненную порошковыми частицами хрома. Материал характеризуется ограниченной термостойкостью до 170 °C и теплопроводностью порядка 2 Вт/(м·К). Такое сочетание материалов обеспечивало адекватное воспроизведение теплового взаимодействия на межфазной границе «металл – МПКМ».

Для регистрации температуры использовались три термопары типа K, встроенные в стенку втулки по оси образца и расположенные на равном расстоянии вдоль длины зоны резания. Сигналы от термопар поступали на аналого-цифровые преобразователи MAX6675, соединённые с микроконтроллером ESP32-WROOM, обеспечивавшим оцифровку и беспроводную передачу данных. Электронные компоненты располагались в отдельной полости корпуса, защищённой пластиковой обоймой. Питание осуществлялось от аккумуляторной батареи ёмкостью 2600 мА·ч, обеспечивавшей непрерывную работу в течение нескольких часов.

Регистрация температуры производилась с частотой 5 Гц, а передача данных выполнялась по протоколу UDP через встроенный модуль Wi-Fi. На персональном компьютере данные визуализировались в реальном времени при помощи разработанного в среде Python 3.12 программного интерфейса (рис. 4), реализованного с использованием библиотек PyQtGraph, Matplotlib и Pandas. Это позволило оперативно отслеживать изменение температуры на межфазной границе и сохранять результаты в виде цифровых массивов для последующей обработки.

Для проверки корректности работы термопар и контроля распределения температуры по поверхности втулки проводилась тепловизионная верификация с использованием прибора FLUKE Ti400 [16]. Результаты сопоставления показали, что отклонения между данными термопар и тепловизора не превышали ±3 °C, что подтверждает достоверность используемой схемы регистрации.

Таким образом, разработанная установка представляет собой автономный измерительный узел, обеспечивающий регистрацию температуры на межфазной границе металл-композитной системы с высокой частотой и достаточной точностью. Её конструкция позволяет проводить исследования при различных геометрических параметрах оболочки и режимах резания, что делает возможным создание экспериментально подтверждённой модели теплового отклика МКС при точении.

Планирование эксперимента осуществлялось с целью выявления количественных закономерностей влияния режимов резания на температурный отклик металл-композитной системы с толщиной металлической оболочки δ = 3,5 мм. Для этого использовался подход, основанный на методологии полного факторного эксперимента (ПФЭ) [17], что позволило исследовать взаимное влияние параметров процесса и построить регрессионную модель второго порядка, пригодную для инженерного прогнозирования.

Выбор данной схемы объясняется необходимостью оценить не только основные факторы, но и их взаимодействие, поскольку термонагруженность при точении МКС является многопараметрической функцией, зависящей от скорости резания, подачи и глубины. При этом, в отличие от традиционных металлических заготовок, поведение гибридных систем определяется неравномерной теплопередачей на межфазной границе, что усиливает нелинейность зависимостей.

В качестве варьируемых факторов были приняты скорость резания V (м/мин), подача на оборот S (мм/об) и глубина резания t (мм). Каждому фактору были заданы два уровня — верхний и нижний, соответствующие кодовым значениям +1 и –1 (таблица 1).

Для оценки возможной нелинейности и проверки воспроизводимости в центр плана было добавлено пять повторных опытов при нулевых кодовых значениях (0,0,0). Таким образом, общая структура эксперимента включала восемь факторных и пять центральных точек (таблица 2), что позволило построить адекватную аппроксимационную модель без увеличения объёма экспериментов.

Температура на межфазной границе «металл – МПКМ» измерялась одновременно тремя термопарами (Т1, Т2 и Т3), расположенными вдоль оси заготовки. По каждому опыту определялись максимальные значения температуры, а также вычислялось среднее значение Tср, характеризующее интегральный тепловой отклик системы.

Результаты эксперимента использовались для построения регрессионной зависимости, описывающей температуру T на границе «металл – МПКМ» в кодированных переменных x1, x2, x3 по уравнению (1):

(1)

Определение коэффициентов модели выполнялось методом наименьших квадратов, что обеспечивало минимизацию суммы квадратов отклонений между экспериментальными и расчётными значениями температуры. Проверка значимости коэффициентов проводилась по t-критерию Стьюдента, а адекватность модели в целом — по F-критерию Фишера при уровне значимости α = 0,05, что является стандартом для инженерных экспериментов в области механической обработки [18].

Качество аппроксимации оценивалось с использованием коэффициента детерминации R², который характеризует долю объяснённой вариации отклика. Значения R² ≥ 0,95 интерпретировались как признак высокой согласованности модели с экспериментом. Дополнительно вычислялось относительное отклонение ΔT по формуле (2):

(2)

Минимальные значения ΔT, не превышающие 7–8 %, свидетельствовали о хорошем соответствии модели наблюдаемым данным.

Вся статистическая обработка осуществлялась в программных средах Excel и Python с применением встроенных инструментов регрессионного анализа и пакета statsmodels. Данный подход обеспечил воспроизводимость вычислений, наглядность графического представления и возможность дальнейшей валидации модели в автоматизированных инженерных системах анализа.

Таким образом, выбранная схема планирования эксперимента позволила сформировать статистически достоверную базу данных, необходимую для построения регрессионной модели «3.5ТР» и последующего анализа теплового поведения металл-композитной системы. Полученные зависимости стали основой для определения критических режимов резания, при которых возможно сохранение структуры металлополимерного заполнителя и стабильность геометрии оболочки.

Результаты исследования. Проведённые эксперименты позволили получить комплекс данных, отражающих динамику изменения температуры на межфазной границе «металл — МПКМ» при точении образцов с толщиной оболочки 3,5 мм. Обработка результатов показала, что температурный отклик металл-композитной системы носит нелинейный характер и определяется комбинацией режимов резания. Установлено, что увеличение глубины резания t приводит к росту температуры, тогда как в исследованном диапазоне увеличение подачи S и скорости резания V сопровождается снижением температуры на межфазной границе. При этом влияние параметров является взаимосвязанным, поэтому характер изменения температуры следует оценивать по поверхностям отклика.

На рис. 5 представлена типичная температурная зависимость, полученная при фиксированных параметрах обработки. Кривая демонстрирует начальную фазу прогрева, сопровождающуюся кратковременным ростом температуры до установившегося уровня, после чего наблюдается термическое равновесие. Средняя продолжительность переходного режима составила 2–5 минут, что соответствует времени стабилизации теплового потока в зоне резания с последующим медленным охлаждением.

Средние значения температуры Tср, вычисленные по результатам 13 опытов полного факторного эксперимента, варьировались в диапазоне от 90 до 186 °C. Наибольшие значения температуры наблюдались при режимах с повышенной глубиной резания t в сочетании с пониженными значениями S и V (в пределах исследованных уровней), тогда как снижение температуры достигается при увеличении подачи и скорости при фиксированной глубине резания.

Максимальные значения температур на межфазной границе приведены в таблице 3.

По результатам обработки экспериментальных данных для образцов с толщиной металлической оболочки δ = 3,5 мм были построены несколько регрессионных моделей отклика температуры T: отдельно по каждому датчику (T1, T2, T3), по среднему значению температуры и по объединённой выборке. Сравнительный анализ показал, что модели, построенные на отдельных каналах измерения, характеризуются высокими коэффициентами детерминации (R² ≈ 0,96–0,97) и статистически значимыми коэффициентами при уровне p < 0,5. Тем не менее, наиболее устойчивой и информативной оказалась объединённая (расширенная) модель, учитывающая совокупность данных всех трёх термопар. Эта модель, обозначенная как «3.5ТР», обеспечила утроение объёма наблюдений, что повысило её статистическую мощность и надёжность инженерных прогнозов.

Для модели «3.5ТР» коэффициент детерминации составил R² = 0,9513, значение критерия Фишера F = 364,31, при уровне значимости p < 10⁻⁵, что свидетельствует о высокой адекватности модели экспериментальным данным. На основании оценённых коэффициентов получено уравнение регрессии в физических единицах (3):

(3)

По полученной модели 3,5ТР были построены графики поверхностей, отражающие взаимодействие факторов (рис. 6).

Построенная модель «3.5ТР» характеризуется высокой точностью аппроксимации. Проверка по полной матрице наблюдений показала, что отклонение между расчётными и экспериментальными значениями температуры (ΔT) в большинстве случаев не превышает 1–7 °C. Лишь в отдельных комбинациях режимов наблюдались отклонения порядка 10–12 °C, что обусловлено локальной неоднородностью теплопередачи на границе «металл – МПКМ» и различием в коэффициенте излучательной способности при сопоставлении с данными тепловизионной верификации [19]. В целом уровень расхождений признан приемлемым для инженерных задач прогнозирования и построения температурных карт.

На рис. 7 представлена контурная карта температурных полей, построенных по уравнению (2) для глубины резания 1,5 мм.

Построенная регрессионная модель 3.5ТР достоверно описывает тепловое поведение металл-композитной системы с толщиной металлической оболочки 3,5 мм при точении. Модель обладает высокой прогностической способностью и может использоваться для определения безопасных режимов обработки, исключающих превышение порогового значения 170 °C.

Обсуждение. Анализ полученных коэффициентов показал согласованный физический смысл каждого члена уравнения. Линейные коэффициенты при подаче и скорости (−915,59S и −1,376V) имеют отрицательные значения, что указывает на снижение температуры при увеличении этих параметров в исследованном диапазоне. Этот эффект объясняется тем, что при увеличении скорости резания уменьшается время теплового контакта между инструментом и поверхностью детали, а рост подачи способствует более интенсивному выносу тепла со стружкой. В то же время коэффициент при глубине резания положителен (+85,44t), что соответствует наблюдаемому увеличению температуры при росте сечения срезаемого слоя.

Нелинейность зависимости выражена квадратичными членами S², V² и t², среди которых особенно значим положительный коэффициент при S², что отражает эффект оптимальной подачи: после достижения определённого уровня повышение подачи вновь приводит к росту температуры из-за увеличения силы резания и трения на задней поверхности инструмента. Один из квадратичных членов имеет отрицательное значение, указывая на эффект насыщения, а ещё один находится на границе статистической значимости.

Парные взаимодействия S · V, S · t и V · t демонстрируют умеренные, но заметные взаимные влияния факторов. Наиболее выраженным оказалось взаимодействие скорости и глубины резания (−0,4646Vt), отражающее компенсацию теплового эффекта за счёт увеличения теплопередачи по толщине оболочки. Взаимодействие подачи и скорости (+7,604SV) указывает на наличие областей, где согласованное увеличение этих параметров способствует стабилизации температуры, что подтверждается экспериментально (рис. 6).

Полученные в ходе исследования результаты подтверждают высокую чувствительность теплового отклика металл-композитной системы к комбинации технологических факторов и демонстрируют значимость геометрических и теплофизических характеристик конструкции. Построенная модель 3.5ТР показала, что даже при относительно небольшой толщине оболочки δ = 3,5 мм процессы теплообмена в зоне резания определяются сложным взаимодействием параметров резания и свойств материалов системы «металл – МПКМ». Это позволяет утверждать, что дальнейшее развитие исследований должно быть направлено на расширение области применимости полученных закономерностей и повышение универсальности предложенной модели.

Перспективным направлением представляется параметрическое изучение влияния толщины металлической оболочки на температурное поведение МКС при точении. Изменение δ влияет на скорость теплоотвода и форму температурного поля, что позволяет управлять устойчивостью металлополимера к перегреву. Систематическое варьирование толщины оболочки даст возможность построить обобщённую зависимость «δ–T», позволяющую прогнозировать температурные риски для различных конфигураций гибридных деталей.

Не менее важной задачей является валидация построенной модели на альтернативных типах металлополимеров с отличающимися значениями теплопроводности, теплоёмкости и предельной температуры эксплуатации. Проведение аналогичных экспериментов с композитами на основе алюминиевых или никелевых наполнителей, а также с применением других марок конструкционных сталей, позволит определить универсальные закономерности теплообмена и уточнить границы применимости регрессионных зависимостей.

Следующим направлением следует считать комплексное исследование взаимосвязи температуры, шероховатости поверхности и износа инструмента, дополненное регистрацией сил резания и виброакустических характеристик. Такой сопряжённый анализ позволит сформировать интегральные карты допустимых режимов обработки, где температурные ограничения будут рассматриваться совместно с показателями качества поверхности и ресурса инструмента. Это создаст предпосылки для оптимизации технологических параметров в многофакторной постановке.

Отдельного внимания заслуживает влияние смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС) на снижение температурных экстремумов в зоне резания. В рамках проведённого эксперимента использовалась стандартная подача СОТС, однако в дальнейшем целесообразно рассмотреть альтернативные технологии — минимально-количественную смазку (MQL), аэрозольное охлаждение и криогенные методы. Эти способы могут обеспечить локальное снижение температуры и уменьшить термическое воздействие на металлополимерный наполнитель, особенно при работе вблизи порога 170 °C.

Важным направлением развития исследований является идентификация механизмов теплопередачи и деградации адгезионных связей на межфазной границе «металл – МПКМ» при циклических термомеханических нагрузках. Мониторинг этого эффекта позволит количественно оценить устойчивость контактной зоны и уточнить критерии долговечности гибридных изделий при эксплуатации.

Наконец, значительный потенциал для повышения точности прогнозирования несут численные 3D-модели тепловых процессов и цифровые двойники металл-композитных систем. Их разработка и калибровка по экспериментальным данным, полученным в настоящей работе, откроют возможность быстрого инженерного расчёта температурных полей в производственных условиях и внедрения метода в систему адаптивного управления технологическими процессами.

Реализация обозначенных направлений позволит превратить предложенный подход в нормативно применимую методику назначения режимов механообработки металлокомпозитных систем, обеспечивающую надёжный контроль термонагруженности и долговечности изделий инструментального назначения.

Заключение. Проведённое исследование подтвердило возможность корректного экспериментального моделирования теплового поведения металлокомпозитных систем (МКС), состоящих из аддитивно полученной металлической оболочки, заполненной металлополимером, с использованием разработанного измерительного узла. Конструкция экспериментального устройства обеспечила достоверную регистрацию температуры на межфазной границе «металл – МПКМ» и позволила выполнить количественную оценку термонагруженности процесса точения в условиях, приближённых к реальным инженерным задачам.

Применение плана полного факторного эксперимента обеспечило выявление основных эффектов параметров резания, определение их взаимодействий и фиксацию нелинейностей за счёт введения центральных точек. Построенная регрессионная модель второго порядка для варианта с толщиной оболочки δ = 3,5 мм (модель 3.5ТР) продемонстрировала высокую статистическую адекватность (R² = 0,9513, F = 364,31, p < 10⁻⁵) и хорошее согласование с результатами тепловизионной верификации, что подтверждает корректность экспериментальной методики.

Инженерная интерпретация коэффициентов модели показала, что решающим фактором, влияющим на рост температуры, является глубина резания t, в то время как подача S оказывает умеренное воздействие, а скорость резания V демонстрирует наименьшую чувствительность в исследованных пределах. Полученные зависимости позволяют однозначно интерпретировать вклад каждого параметра в формирование теплового отклика и использовать их при оптимизации технологических режимов.

На основе модели 3.5ТР были построены поверхности отклика и контурная карта температурных полей, позволившие выделить «безопасные зоны» режимов точения, при которых температура на границе «металл – МПКМ» не превышает предельное значение T ≤ 170°C. Введение данного технологического ограничения обеспечивает предотвращение термодеструкции металлополимера и подтверждает возможность доводочной токарной обработки МКС без повреждения заполнителя.

Разработанная модель представляет значительную прикладную ценность для инженерного прогнозирования и нормирования технологических режимов механической обработки гибридных изделий — как формообразующих пресс-форм с конформными каналами охлаждения, так и композитных корпусов сборных сверл. Практическая реализация предложенного подхода обеспечивает снижение риска термического повреждения металлополимерных структур, повышение воспроизводимости качественных характеристик изделий и гарантирует их эксплуатационную долговечность при сохранении высокой технологической эффективности процесса обработки.

1. Технические условия ТУ 2257–002–48460567–00. Металлополимер «Ферро-хром». Москва: ЗАО «Металлополимерные материалы ЛЕО»; 2000 URL: https://www.leo-polymer.ru (дата обращения 01.11.2025).