1.​ Создание, исследование и разработка фундаментальных основ процесса комбинированной электроалмазной обработки новых труднообрабатываемых инструментальных, высокопрочных композиционных и наноструктурных материалов.

Научный руководитель: Янюшкин Александр Сергеевич, доктор технических наук, профессор, академик МАН ВШ
Формулировка решаемой проблемы: Проведённый нашим коллективом всесторонний анализ состояния исследований в области прогрессивных комбинированных электрофизических и электрохимических методов обработки инструментальных, труднообрабатываемых композиционных и наноструктурных материалов позволил отметить следующее. Как в Российской Федерации, так и за рубежом, данным исследованиям уделяется недостаточное внимание. В Германии, США, Великобритании и других развитых стран отмечены некоторые тенденции развития электроэрозионной, абразивной обработок, возможности комбинирования различных процессов, съема материала по сравнению с обработкой резанием, разработки и совершенствования электроэрозионных станков. Однако в свете высокой производительности электроэрозионной обработки выявляется один из недостатков данного вида обработки - относительно невысокая точность получаемых размеров, а также большая величина дефектного слоя после обработки. Известно, что одним из главных требованием к инструментальным материалам является их высокая твёрдость, что приводит к трудоёмкости восстановления их режущих свойств при шлифовании и затачивании, включая значительные затраты времени. Те методы правки, которые в настоящее время используют промышленные и зарубежные предприятия, не позволяют достигать требуемых характеристик, как изготавливаемых деталей машин, так и шлифовальных кругов, обрабатываемых эти изделия. Здесь чётко прослеживается слабая связь науки с производственными условиями, отсутствие достаточно простых и надёжных способов управления процессами, протекающими в зоне обработки. Это в свою очередь является следствием недостаточного использования комбинированных электроалмазных методов обработки и учета условий контактного взаимодействия между инструментальным и обрабатываемым материалами. Хотя известно, что причина снижения функциональных параметров в процессе обработки заключается в засаливании алмазных кругов, что приводит к возрастанию сил резания, температуры, расходу алмазных кругов и, как следствие, к ухудшению качества обрабатываемой поверхности. Поэтому, необходимо изучить процессы в зоне контакта, математически описать причину засаливания и создать благоприятные условия для качественной обработки изделий из инструментальных, высокопрочных композиционных и наноструктурных материалов.
Цели научного исследования: В настоящее время отечественная промышленность выпускает ряд композиционных материалов, считающихся обладателями самых высоких характеристик по твёрдости и прочности. Они нашли своё применение в разнообразных отраслях машиностроения и инструментальной промышленности. Однако классическое производство оказалось технологически не подготовлено к таким их характеристикам, а рекомендации по применению данных материалов ограничились лишь «щадящими» условиями их эксплуатации, что с экономической точки зрения, конечно, не выгодно. Исследования, выполненные под руководством профессора А.С.Янюшкина, однозначно это доказывают. Однако технический прогресс не должен стоять на месте и на смену композиционным сверхтвёрдым, высокопрочным и труднообрабатываемым материалам уже приходит новое поколение материалов – функциональных, композиционных и конструкционных наноматериалов, в том числе и разрабатываемых на нашей кафедре. Анализ развития существующей ситуации показал, что в ближайшее время одной из главных проблем, препятствующей эффективному использованию и дальнейшему развитию потенциала нанотехнологий в Российской Федерации, будет являться увеличивающееся отставание от мирового уровня базового, технологического компонента инфраструктуры наноиндустрии. Другими словами, следствием скачка в области создания новых инструментальных материалов, как правило, будет являться традиционное отсутствие технологии обработки данных материалов, технологии восстановления их технологических свойств. Разработка и сопровождение инновационной технологии высокоточной качественной обработки инструментальных, высокопрочных композиционных и наноструктурных материалов составляет суть данных исследований.
Задачи научного исследования: В числе основных задач, следует рассмотреть; выявление природы засаливания абразивного круга на металлической связке при комбинированной электроалмазной обработке; исследование процесса формирования поверхностного слоя детали из новых наноупрочненных материалов при комбинированной электроалмазной обработке; выявление факторов, влияющих на формирование поверхностного слоя при комбинированной электроалмазной обработке высокопрочных, труднообрабатываемых композиционных и наноструктурных материалов. Разработать способ управления процессом комбинированного электроалмазного шлифования обеспечивающий гарантированное качество обработанной поверхности и изделия в целом. Разработать устройство для автоматического управления процессом непрерывной правки алмазного круга на металлической связке, позволяющее снизить удельный расход алмазных кругов, мощность, силы резания и др. параметры. Определить теоретические модели электрических параметров (плотности тока правки круга и плотности тока травления), позволяющие рассчитать значения данных параметров, при которых достигается наилучшее качество обработанной поверхности. Получить эмпирические зависимости удельного съема металла, шероховатости обработанной поверхности, глубины дефектного слоя, удельного расхода круга, мощности и составляющие силы резания от режимов обработки при комбинированном электроалмазном шлифовании. Создать новое оборудование с более широкими техническими возможностями, отвечающее мировому уровню.
Содержание исследования: При обработке изделий из высокопрочных наноупрочненных инструментальных материалов, в процессе затачивания металлорежущего инструмента или шлифования ответственных поверхностей деталей машин, практически не применяют шлифовальные алмазные круги на металлической связке. Известная справочная литература не рекомендует обрабатывать инструментальные стали алмазным инструментом, за исключением лишь чистовой, окончательной обработки. В первую очередь это связано с интенсивным засаливанием шлифовального круга и, как следствие, потери его режущей способности, что влечёт за собой появление на обрабатываемой поверхности разнообразных дефектов в виде прижогов, макро микротрещин, изменения структуры поверхностных слоев и т.п. Однако, экспериментальные исследования, проведённые нашим коллективом, однозначно доказывают: если создать соответствующие специфические и, главное, недорогие в эксплуатации условия, то алмаз и алмазные инструменты при такой обработке показывает высокие режущие способности. Так, было доказано, что в процессе шлифования образуется граница контакта, которая одновременно принадлежит инструментальному и обрабатываемому материалам. Протекающие здесь контактные процессы и реакции ответственны как за засаливание круга, так и образование дефектного слоя, и работоспособность инструменте в целом. На стадии исследования внешней картины алмазоносной поверхности шлифовальных кругов и дефектного слоя заточенных пластин из инструментальных сталей, чётко проявились преимущества комбинированной электроалмазной обработки. Круг имеет развитую режущую поверхность, а засаливание практически отсутствует, о чём говорит развитый рельеф поверхности алмазного круга. Если же рассматривать обычное алмазное шлифование инструментальных материалов алмазными кругами, то в данном случае происходит постепенное засаливание круга. Однако, вопреки сложившемуся мнению, что поры круга и алмазные зерна всего лишь забиваются компонентами обрабатываемого материала, в засаленном слое наблюдаются элементы как самой связки круга, так и вторичных соединений, образующихся в результате адгезионно-диффузионных явлений, химических реакций и рекристаллизации. Зафиксированные в зоне контакта химические элементы, в частности, алюминий, медь, олово, цинк и железо являются продуктами диффузии, которые при взаимодействии с углеродом и кислородом, приводят к образованию новых карбидов и окислов. Усиление же и локализация диффузионных процессов возникает при интенсификации режимов шлифования, когда не только локальные, но и средние температуры в зонах контакта достигают высоких значений (более 1000°С). Для исключения большинства подобных негативных процессов, возникающих при алмазной обработке железоуглеродистых материалов, в том числе высокопрочных композиционных, и наноструктурных, следует, в первую очередь, создать наиболее благоприятные условия для алмазного инструмента, обеспечить ему условия, при которых абразивные круги работали бы в режиме самозатачивания. Достичь этой цели можно управляя электрическими характеристиками обработки, «подобрав» оптимальные режимы, плотности тока правки и травления. Практика показывает, что режим устойчивого самозатачивания наиболее полно реализуется в условиях непрерывной, электрохимической правки круга и одновременного травления (анодного растворения) обрабатываемой поверхности и характеризуется постоянством радиальной составляющей силы Ру и мощности резания. В качестве научного и производственного результата мы получаем преимущество комбинированной обработки перед простыми методами электроалмазного шлифования по важнейшим параметрам: величине дефектного слоя и качеству изготавливаемых изделий; удельному расходу алмазов и режущей способности. Поэтому авторы рекомендуют использовать данную технологию в различных отраслях промышленности для шлифования и затачивания самых разнообразных инструментов: резцов, фрез, зенкеров, свёрл, ответственных изделий машиностроения и т.д. При этом требуется несложная модернизация оборудования, которая осуществима практически на всех видах заточных и шлифовальных станков, а также создание нового вида оборудования с более широкими технологическими возможностями.
Новизна научного исследования: Позволяет решать принципиально новые задачи с учётом: - теоретических основ контактного взаимодействия инструментального и обрабатываемого материалов, причин засаливания алмазных кругов на металлической связке; - научного обоснования критериев оценки режима и условий самозатачивания, обеспечивающих постоянство режущей способности и минимального расхода алмазных кругов; - метода количественного определения энергии адгезионно-диффузионного взаимодействия контактирующих материалов, доказательстве механо-физико-химической природы процесса засаливания, разработанных рекомендаций по устранению этого негативного явления. Усовершенствование известных результатов: - предложенной классификацией дефектов при электроалмазной обработке высокопрочных наноструктурных материалов, установлением их связи со стойкостью инструмента, определением уровней механических и электрических параметров обработки, гарантирующих высокое качество изделий машиностроения. Открывает новые направления развития исследований в науке и технике: - в разработке способа и устройства управления процессом комбинированного электроалмазного шлифования, позволяющих автоматически поддерживать заданные условия в зоне резания, значительно повысить качество обработанной поверхности и производительность шлифовальной операции. Получен принципиально новый результат: - с учётом математических моделей технологического процесса комбинированного электроалмазного шлифования, позволяющих определить значения электрических параметров плотности тока правки круга и плотности тока травления, учитывающих изменения условий обработки, при которых достигается наилучшее качество обработанной поверхности; - с применением эмпирических зависимостей шероховатости обработанной поверхности, глубины дефектного слоя, удельного съема металла, удельного расхода круга, эффективной мощности и радиальной составляющей силы резания от режимов обработки при комбинированном электроалмазном шлифовании, на основе которых определяются рациональные режимы шлифования.
Ожидаемые результаты исследования:
- новые научные данные о процессах, явлениях, закономерностях, существующих в исследуемой области, позволят прогнозировать и получать качественные показатели обработанной поверхности и обоснованно назначать режимы работы оборудования при комбинированном электроалмазном шлифовании;
- открытие путей применения новых явлений и закономерностей, разработанных и предложенных промышленности в рамках технологии обработки изделий из высокопрочных композиционных и наноупрочненных материалов, включающей различные варианты модернизации и разработку нового оборудования (электрические схемы и источники технологического тока) позволит вывести отдельные отрасли машиностроения на мировой уровень;
- теоретическое и методологическое обоснование принципов и путей создания и модернизации в области промышленного использования эффективного комбинированного метода электроалмазной обработки высокопрочных композиционных и наноструктурных материалов, обеспечивающих их высокое качество и эксплуатационные характеристики при минимальных энергетических затратах.
Основные научные результаты коллектива:

1. Разработаны элементы теории протекания микроконтактных процессов во время механической обработки.
2. Разработаны основы теории контактирования обрабатываемых композиционных и сверхтвердых материалов с образованием поверхностного слоя заданных характеристик. Выбраны приоритетные параметры процессов комбинированной электроалмазной обработки.
3. Разработана модель формирования поверхностного слоя деталей машин с учётом модели контактирования.
4. Дано математическое описание основных процессов, участвующих в комбинированной обработке высокопрочных и труднообрабатываемых материалов с оценкой их влияния на качество поверхностного слоя.
5. Выявлены основные факторы, влияющие на формирование поверхностного слоя деталей машин при комбинированной электроалмазной обработке.
6. Созданы специализированное оборудование, технологическая оснастка, электрические схемы под комбинированные методы обработки с их модернизацией.
7. Разработаны теоретические основы физико-химических процессов, протекающих при комбинированной электроалмазной обработке высокопрочных и труднообрабатываемых материалов.
8. Научным коллективом за последние 3 года издано: 4 монографии, 5 учебных пособий, опубликовано научных работ 98 научных статей, получено 7 патентов РФ.
9. Имеющаяся материальная база для выполнения исследования (с указанием перспектив ее развития: какое оборудование планируется закупить и за счет каких средств). Может быть указано оборудование, которое используется на базе предприятий-партнеров (в этом случае указывается наименование оборудование и где оно находится):

• Научно-исследовательская лаборатория "Режущий инструмент и инструментальное обеспечение автоматизированного производства", включающая станки токарной, фрезерной и сверлильной группы, а также станки с ЧПУ.
• Научно-исследовательская лаборатория "Прогрессивные методы обработки материалов", включающая: модернизированные - плоскошлифовальный станок 3Е711; универсально-заточной станок 3Е642Е; универсально-заточной станок 3Д642Е.
• Научно-исследовательская лаборатория "Технология комбинированной электроалмазной обработки", включающая: профилограф-профилометр "Абрис-ПМ7"; многофункциональный электронный программируемый универсальный переносной твердомер ТЭМП-2у; микроскоп МБС-10; микроскоп ММУ-3; микроскоп ИМЦ; дефектоскоп ПМД-70; программное обеспечение анализа экспериментальных данных.
• В рамках Научно-исследовательского центра ФГБОУ ВПО "НГТУ" при выполнении совместных работ по мероприятию 1.4 для проведения поисковых НИР молодыми учеными и преподавателями с привлечением современной электронной, растровой микроскопии, спектрального и рентгеноструктурного анализов. (ARL X’TRA; Olimpus GX-71; Carl Zeiss EVO50 со встроенным химическим анализатором EDS X-Act и др.).
• Научно-исследовательская лаборатория "Технология машиностроения", включающая станки токарной, фрезерной и сверлильной группы, лазерной резки, и др.
• Научно-исследовательская лаборатория «Мехатроника»
• Планируемые научные результаты с указанием возможного практического применения и перспектив дальнейшего развития данного направления:

Полученные результаты окажут влияние на развитие новых научно-технических и технологических направлений, разработку новых технических решений, последующие НИР и ОКР, увеличение выпуска новых изделий в машиностроении, изготовленных их высокопрочных и наноструктурных материалов. Разработка рекомендаций и предложений по использованию результатов в выполняемых инновационных проектах позволят вывести отечественную продукцию машиностроения на современный мировой уровень.

Дальнейшие исследования будут продолжены в следующих направлениях:
- разработка теоретических основ процесса комбинированной электроалмазной обработки высокопрочных и труднообрабатываемых материалов;
- разработка инновационной технологии высокоточной обработки инструментальных и наноструктурных материалов;
- автоматизация и управление технологическими процессами и производствами в машиностроении;
- проектирование и разработка технологии изготовления прогрессивных конструкций сложнопрофильного режущего инструмента;
- теория, практика и исследование нейтральных технологических сред взамен агрессивных электролитов в процессах электрохимической обработки;
- разработка технологии изготовления сложнопрофильных инструментов для обработки композиционных материалов;
- разработка управляющих программ и создание баз данных для совершенствования технологических процессов механической обработки деталей машин и инструментов.

2.​ Разработка объемных наноструктурных металломатричных материалов для различных объектов техники и их внедрение в промышленное производство.

Научный руководитель: Шалунов Евгений Петрович, канд. техн. наук, профессор кафедры технологии машиностроения, научный руководитель Объединенной научно-исследовательской лаборатории качества, обрабатываемости и композиционных материалов (ОНИЛКОМ).
Целью исследований является обеспечение отечественной промышленности прогрессивными и высокоэффективными материалами и снижение ее зависимости от импортных материалов.
Основными задачами исследований являются:
- разработка и исследование объемных наноструктурных металломатричных материалов для различных объектов техники;
- внедрение в действующие промышленные производства разработанные объемные наноструктурные металломатричные материалы.
Исследования по указанной тематике относятся к Приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники Российской Федерации и к Критическим технологиям Российской Федерации.
1. Имеющийся задел: НИР и ОКР по указанному направлению проводятся в ОНИЛКОМ с 1985 года на основе хоздоговорных тем, грантов Минобрнауки РФ, РФФИ и др. За данный период выполнено более 40 НИР и ОКР, по проектам ученых и специалистов ОНИЛКОМ создано в России три действующих производства по выпуску объемных наноструктурных материалов на основе порошков меди и алюминия.
2. Имеющаяся материальная база для выполнения исследования: Имеющиеся в ОНИЛКОМ, на машиностроительном факультете и в Центре коллективного пользования университета исследовательское оборудование, приборы, аппаратура и научный инструментарий являются достаточными для проведения исследований по указанному направлению.
3. Планируемые научные результаты:Будут разработаны новые составы объемных наноструктурных металломатричных материалов, получены закономерности взаимосвязи между их свойствами и химическим составом, структурой и технологическими режимами получения этих материалов.
Разработанные материалы подлежат внедрению в промышленное производство.