Экспериментальное исследование и моделирование теплового отклика металл-композитной системы при точении оболочки толщиной 3,5 мм

Введение. Современные технологии инструментального и формообразующего производства всё чаще используют металл-композитные системы (МКС), сочетающие аддитивно изготовленные металлические оболочки и металлополимерные наполнители, что соответствует приоритетным направлениям научно-технического прогресса, таким как цифровизация и аддитивное производство (в соответствии с Федеральным проектом «Развитие технологий материалов и производства» в рамках национальной программы «Научно-технологическое развитие»). Масштабы применения МКС в промышленности растут: по данным отраслевых обзоров, их доля в производстве высокоточных компонентов для авиакосмической и автомобильной отраслей увеличилась на 25–30 % за последние пять лет, обеспечивая экономическую выгоду за счет снижения массы конструкций на 15–20 % и повышения энергоэффективности процессов. Такие системы сочетают прочность и теплопроводность металла с демпфирующими свойствами полимера, но характеризуются высокой чувствительностью к перегреву при механической обработке. Вследствие этого температура на границе «металл – МПКМ» при точении может превышать порог термостойкости (170 °C), приводя к термодеструкции, потере адгезии и деформации оболочки. В литературе проблема термостабильности МКС при точении освещена фрагментарно: существующие работы фокусируются на монолитных композитах или общих моделях теплопереноса, без детального анализа межфазного нагрева в аддитивно-формованных системах с низкой теплопроводностью наполнителя. Поэтому необходимы исследования, позволяющие количественно описать тепловой отклик при обработке таких систем и определить параметры резания, обеспечивающие их термостабильность. Цель настоящей работы — экспериментальное исследование температурного отклика при точении МКС с толщиной оболочки δ = 3,5 мм и построение регрессионной модели второго порядка, связывающей температуру на границе «металл – МПКМ» с параметрами резания. Материалы и методы. Для исследования был разработан программно-аппаратный измерительный узел, моделирующий структуру МКС. Он включал сменную втулку из стали 12Х18Н10Т, внутреннюю вставку из металлополимера «Ферро-хром», три встроенные термопары типа K и модуль сбора данных на микроконтроллере ESP32-WROOM с преобразователями MAX6675, обеспечивающий регистрацию температуры с частотой 5 Гц и передачу данных по Wi-Fi. Корректность измерений подтверждена тепловизионной верификацией с использованием FLUKE Ti400. Эксперимент проводился по плану полного факторного эксперимента (ПФЭ) 2³ + n0, в котором варьировались скорость резания V, подача S и глубина резания t. Обработка данных выполнялась методом наименьших квадратов с проверкой адекватности по F-критерию Фишера и значимости коэффициентов по t-критерию Стьюдента. По результатам обработки в реальных физических единицах построена регрессионная модель второго порядка — модель 3.5ТР, предназначенная для инженерного прогнозирования. Результаты исследования. Анализ экспериментальных данных показал, что температурный отклик МКС имеет нелинейный характер, при этом глубина резания t является доминирующим фактором повышения температуры, тогда как в исследованном диапазоне увеличение подачи S и скорости резания V сопровождается снижением температуры на межфазной границе за счёт сокращения времени теплового воздействия и более интенсивного выноса тепла со стружкой. Полученная модель 3.5ТР характеризуется коэффициентом детерминации R² = 0,9513, значением критерия Фишера F = 364,31 и уровнем значимости p < 10⁻⁵, что подтверждает её адекватность. Интерпретация коэффициентов выявила, что глубина резания t оказывает наибольшее влияние на рост температуры, подача S — умеренное воздействие, а скорость резания V — минимальное. Построенные поверхности отклика и контурные карты позволили выделить «безопасные зоны» режимов, удовлетворяющих условию T ≤ 170 °C. Средние расхождения между экспериментальными и расчётными данными не превышали 7 °C, что подтверждает высокую точность модели. Обсуждение. Построенная модель 3.5ТР раскрыла взаимосвязь геометрических и технологических факторов, определяющих термонагруженность МКС при точении. Доминирующее влияние глубины обработки обусловлено увеличением объёма срезаемого слоя и тепловыделения в зоне контакта, тогда как рост подачи и скорости резания сопровождается компенсирующими эффектами за счёт уменьшения времени теплового контакта и более интенсивного выноса тепла со стружкой. Полученные результаты свидетельствуют о необходимости оптимизации режимов обработки с учётом толщины оболочки δ. Определены направления дальнейших исследований. Заключение. Проведённое исследование доказало, что разработанная экспериментальная установка корректно воспроизводит тепловое поведение металл-композитной системы с аддитивной оболочкой и металлополимерным заполнителем. Построенная регрессионная модель 3.5ТР адекватно описывает температурный отклик при точении и может использоваться для инженерного прогнозирования режимов механической обработки.