Введение
Современный этап развития машиностроения характеризуется одновременным ужесточением требований к производительности обработки, точности, надёжности и ресурсу выпускаемых изделий. Устойчивое удовлетворение этих требований невозможно без опережающего развития высокоэффективных технологий обработки, сочетающих традиционное резание с физико-техническими методами воздействия – электроэрозионным, электрохимическим, лазерным, ионно-плазменным, плазменно-электролитным, а также с адаптивным управлением, цифровым моделированием и аддитивными процессами. В условиях ограниченного доступа к зарубежному станочному оборудованию, комплектующим и инструментальным материалам задача формирования собственной компетентностной и технологической базы приобретает характер стратегической, что напрямую связано с обострением спроса на технологический суверенитет в станкостроении, инструментальном производстве и обработке материалов.
Одним из ключевых научно-образовательных центров, обеспечивающих системное развитие данного направления в РФ, является кафедра «Высокоэффективные технологии обработки» МГТУ «СТАНКИН», продолжающая традиции научной школы «Резание материалов», основанной в 1930 г. и объединяющая исследовательскую, образовательную и опытно-конструкторскую деятельность по полному жизненному циклу высокотехнологичных материалов и изделий (рис. 1). В её компетенции входят поверхностная модификация инструмента и ответственных изделий, аддитивные и лазерные технологии, плазменно-электролитная обработка, искровое плазменное спекание, адаптивное управление процессами обработки и другие направления, составляющие инженерную основу высокоэффективных технологических комплексов нового поколения.
Актуальность системного развития высокоэффективных технологий обработки в МГТУ «СТАНКИН» определяется тремя факторами:
- появлением новых конструкционных и функциональных материалов, требующих перестройки всей технологической цепочки «материал – обработка – изделие»;
- развёртыванием национальных проектов технологического лидерства и мегапроектов Правительства Российской Федерации, требующих консолидации прикладных разработок на базе профильных научно-образовательных центров;
- необходимостью опережающего формирования собственной компетентностной базы в условиях внешних ограничений, что делает деятельность МГТУ «СТАНКИН» стратегически значимой для обеспечения технологического суверенитета отрасли.
Целью настоящей статьи является системная характеристика развития высокоэффективных технологий обработки ответственных изделий машиностроения в МГТУ «СТАНКИН».
Научная школа и преемственность как фундамент развития
Кафедра высокоэффективных технологий обработки (ВТО) является преемником научной школы «Резание материалов», основанной в 1930 г. проф. А.В. Панкиным. Её история неразрывно связана с развитием отечественной школы теории резания. Хронологическая последовательность руководителей: А.В. Панкин (1930–1934 гг.), В.А. Кривоухов (1937–1952 гг.), В.А. Аршинов (1952–1953 гг.), И.П. Третьяков (1953–1985 гг.), В.К. Старков (1985–1990 гг.), А.С. Верещака (1990–1998 гг.) и С.Н. Григорьев (с 1999 г. по настоящее время) [1].
В работах А.В. Панкина были обобщены ранние исследования по теории резания и сформулированы рекомендации по рациональным режимам обработки. В.А. Кривоухов разработал единую методику исследования стойкостных и силовых зависимостей и создал справочные материалы по режимам резания, вошедшие в основу ГОСТ. В.А. Аршинов сформулировал принципы конструирования и технологию изготовления фасонного инструмента из пластифицированных заготовок твёрдых сплавов, совместно с ВНИИТС разработал новые инструментальные твёрдые сплавы и комплекс смазочно-охлаждающих технологических сред на основе поверхностно-активных веществ. Период руководства И.П. Третьякова характеризуется переходом к исследованию физических основ высокоскоростных режимов: был предложен алгоритм построения систем диагностирования процесса резания и инструмента, создана серия испытательных машин для определения прочности инструмента, разработан стенд сверхскоростного резания (скорость, сопоставимая со скоростью пули), проведены первые испытания режущего инструмента с покрытиями. В.К. Старков разработал принципы оптимизации процессов резания лезвийным и абразивным инструментом по новым энергетическим критериям, создал высокопроизводительный абразивно-керамический инструмент и процессы профильного глубинного шлифования. А.С. Верещака заложил направление, связанное с управлением физическими процессами обработки материалов, разработал технологию комплексной поверхностной модификации режущего инструмента и изделий, включая нанесение покрытий, и создал систему экологически чистого сухого резания. С 1999 г. кафедру возглавляет д.т.н. С.Н. Григорьев, под руководством которого разработана система автоматизированного управления процессами механической и элионной обработки, внедрено высокопроизводительное металлорежущее оборудование для высокоскоростной обработки сверхсложных корпусных деталей, созданы серийные образцы многофункционального ионно-плазменного оборудования.
Значимость такой преемственности заключается в том, что современные направления кафедры – аддитивные технологии, лазерная обработка, искровое плазменное спекание, плазменно-электролитная обработка – не возникли в отрыве от классического резания, а представляют собой его органическое расширение. Каждое из современных направлений опирается на методологические принципы, сформированные прежними поколениями научной школы: энергетические критерии оптимизации, диагностирование процесса обработки, комплексная модификация поверхности, поиск рациональных сочетаний материала инструмента и заготовки. Таким образом, представленная хронология демонстрирует устойчивую преемственность направлений исследований при последовательном расширении инструментария – от классического резания к элионным, лазерным и цифровым методам обработки. Это обеспечивает научную целостность исследований, и служит методологическим основанием научно-технологического развития МГТУ «СТАНКИН»: новые направления не подменяют традиционные, а надстраиваются над ними в виде высокотехнологичных методов повышения эффективности обработки.
Внешние и стратегические вызовы,
приоритетные направления исследований
Стратегия развития высокоэффективных технологий обработки ответственных изделий машиностроения в МГТУ «СТАНКИН» сформирована на пересечении двух групп факторов: запроса государства, выраженного в национальных документах стратегического планирования, и объективных технологических вызовов.
Первая группа представлена нормативно-стратегическими документами: национальными целями развития РФ на период до 2030 г. [2], Стратегией научно-технологического развития РФ, Концепцией технологического развития на период до 2030 года [3], Стратегией национальной безопасности Российской Федерации [4] и Национальной стратегией развития искусственного интеллекта на период до 2030 года [5]. Эти документы определяют рамку приоритетов, в которой формируются научные направления и кадровые задачи кафедры.
Вторая группа факторов носит технологический характер и связана с ограничениями, возникшими после введения санкционных пакетов в отношении Российской Федерации (по состоянию на начало 2026 г. – 14 пакетов санкций). Количественные характеристики этих вызовов носят критический характер:
- 81 % российских производителей не могут найти отечественные аналоги иностранного оборудования, комплектующих и материалов;
- 98,3 % составила доля импортных станков в закупках российскими предприятиями в 2024 году [6]; при этом 76,5 % парка металлорежущих станков РФ импортированы из Китайской Народной Республики (по данным Федеральной таможенной службы);
- более 50 % производителей крайне недовольны качеством отечественных аналогов;
- 61 % совокупного импорта сырья, материалов и комплектующих отраслей Российской Федерации поступал из недружественных стран [7];
- порядка 2000 продуктов и технологий подлежат замене российскими аналогами [8]. Эти количественные характеристики формируют объективный запрос на развитие отечественных компетенций в области станкостроения, инструментального производства и технологий обработки.
Вторую группу факторов дополняет сама логика развития техники и технологий: появление новых материалов, требующих принципиально новых методов их получения и обработки; ужесточение требований к качеству и точности изделий; развитие гибридных технологий; необходимость преодоления замкнутости научных исследований вузов и НИИ в отрыве от потребностей предприятий реального сектора экономики; реализация национальных проектов технологического лидерства к 2030 г.
Сопоставление двух групп факторов показывает, что отраслевой запрос государства и технологические вызовы сходятся в одной точке – необходимости ускоренного развития отечественной базы высокоэффективных технологий обработки. В этой точке располагается зона ответственности научных исследований МГТУ «СТАНКИН», определяя ее приоритеты, закрывая позиции как по критическим, так и по сквозным технологиям.
Среди критических технологий в МГТУ «СТАНКИН» развивается направление «Технологии разработки медицинских изделий нового поколения, включая биогибридные, бионические технологии и нейротехнологии». Деятельность охватывает создание новых материалов для изделий медицинского назначения (медицинские стали, сплавы цветных металлов, композиционные материалы, порошки для аддитивного производства), новые технологии получения материалов (аддитивные технологии, порошковая металлургия), новые технологии обработки конструкционных материалов (аддитивные, элионные, электроэрозионная обработка, механообработка, гибридные технологии), а также модификацию поверхностных свойств изделий медицинского назначения с применением вакуумно-дугового, ионно-плазменного, плазменно-электролитного и лазерного воздействия, а также наплавки методом селективного лазерного плавления (SLM).
По сквозным технологиям научные исследования МГТУ «СТАНКИН» охватывают: технологии создания новых материалов с заданными свойствами; производство малотонажной химической продукции, включая особо чистые вещества, для фармацевтики, энергетики и микроэлектроники; технологии искусственного интеллекта в отраслях экономики (автоматические системы диагностики и метрологического сопровождения технологических процессов, интеллектуальный анализ и оптимизация режимов обработки); технологии создания отечественных средств производства и научного приборостроения (новое производственное оборудование, 3D-принтеры и сканеры, устройства искрового плазменного спекания (ИПС), вакуумно-дугового осаждения (ВДО), плазменно-электролитной обработки (ПЭО), новые виды конкурентоспособных режущих инструментов для высокоскоростной и высокоточной обработки).
Наряду с государственным перечнем, тематика исследований МГТУ «СТАНКИН» сопряжена с федеральными проектами – «Наука и кадры для производства средств производства и автоматизации», «Развитие производства композиционных материалов», «Искусственный интеллект», «Производительность труда» – и с направлениями Национальной технологической инициативы «Технет» (плазменно-электролитная постобработка для аддитивных технологий, отечественное оборудование для финишной обработки) и «Аэронет» (качество поверхности для беспилотных авиационных систем, обработка деталей из жаропрочных и титановых сплавов). Такое сопряжение обеспечивает координацию тематики исследований с национальными приоритетами и с реальными потребностями отраслевых заказчиков.
По результатам семантического анализа публикаций кафедры ВТО в базе Scopus
(с 2020 г. – настоящее время) выделено шесть ключевых направлений научно-исследовательских работ:
- инструментальный дизайн (геометрия режущего инструмента и новые материалы для него);
- повышение эксплуатационных свойств, в том числе стойкости режущего инструмента;
- новые материалы для машиностроения и других отраслей с исследованием их свойств; поверхностная модификация свойств изделий машиностроения;
- новые технологии аддитивного производства;
- новые технологии обработки конструкционных и функциональных материалов, включая электрохимические и электрофизические методы.
К числу перспективных направлений отнесены автоматизация процессов обработки изделий с системами диагностики, метрологическое сопровождение процессов обработки, применение нейросетей и искусственного интеллекта.
Массив научных работ кафедры ВТО МГТУ «СТАНКИН» (484 публикации), охватывающий период 2021–2026 гг., структурирован по восьми основным направлениям:
- Вакуумно-плазменные и PVD / CVD-покрытия – ~ 130 работ (27 %):
- Ядро: нанослойные многокомпонентные покрытия систем Ti – TiN – (Ti, Cr, Al); Zr – ZrN – (Zr, Mo, Al)N; ZrHf – (Zr, Hf)N; (Mo, Cr, Al)N; VN; DLC; TiB₂;
- Методы: дуговое PVD (CAA-PVD), магнетронное напыление, PLD, реакционное PLD.
- Плазменно-электролитическая обработка (ПЭО / МДО / ЭПО) – ~ 110 работ (23 %):
- Методы: нитроцементация, азотирование, цементация, борирование, сульфидирование, оксидирование; микродуговое оксидирование (МДО); локальная и струйная плазменно-электролитная обработка (ПЭО);
- Материалы: конструкционные и инструментальные стали, включая быстрорежущие, WC твердые сплавы, Ti-,
Al- и Mg-сплавы.
- Аддитивное производство (SLM/LPBF/EBM/FDM/FFF) – ~ 75 работ
(15 %):
- SLM металлов (Al-сплавы, 316L, аморфные Zr-сплавы, TiAl); LPBF металлокерамических матричных композитов; FDM/FFF керамических нитей (Al₂O₃, ZrO₂, SiC – TiB₂ – TiC в полилактидной матрице);
- Мониторинг дефектов нейросетями;
- Постобработка: ЭПО-полировка аддитивных деталей.
- Искровое плазменное спекание новых материалов, в частности, керамических –
~ 60 работ (12 %):
- Системы: Al₂O₃ – TiC, Si₃N₄ – TiC, SiAlON, SiC – TiB₂ – TiC, Al₂O₃ – TiB₂ – TiC, ZTA, WC – ZrO₂; армирование оксидом графена.
- Электроэрозионная обработка (WEDM) керамик.
- Виброакустический и оптический мониторинг – ~ 45 работ (9 %):
- Объекты: WEDM, SLM, EDM, лазерная обработка, лезвийная обработка.
- Методы: акустическая эмиссия, виброакустические сигналы, нейросетевая диагностика, КИМ.
- Биоматериалы и технологии –
~ 40 работ (8 %):
- Дентальные имплантаты: ZrO₂, покрытия МДО / нитридные, CAD / CAM-технологии, биосовместимые керамики.
- Поверхностная модификация имплантатов для остеосинтеза, герниопластики с целью улучшения биосовместимости, остеоинтеграции и биоактивности имплантатов.
- Цифровое производство и управление – ~ 15 работ (3 %): цифровые двойники производственно-логистических систем, имитационное моделирование, агрегация данных, управление загрузкой рабочих мест.
- Прочее (~ 3 %): солнечные покрытия, углеродные волокна, экология ПЭО, фотокатализ, триботехника подшипников скольжения.
Основными решаемыми задачами в научных исследованиях в области высокоэффективных технологий обработки и материаловедения МГТУ «СТАНКИН» являются:
- повышение износостойкости и стойкости к коррозии режущего инструмента и деталей [9];
- cнижение коэффициента трения (DLC, MoS₂, ван-дер-ваальсовые гетероструктуры) [10];
- устранение дефектов аддитивного производства (пористость, шероховатость, анизотропия) [11];
- повышение точности измерений и мониторинга технологических процессов [12];
- разработка биомедицинских материалов с заданными функциональными свойствами [13].
Уровень соответствия результатов научных исследований МГТУ «СТАНКИН» в области высокоэффективных технологий и материаловедения мировым трендам научной политики представлен в табл. 1, оценка перспективности направлений научных исследований представлена в табл. 2
В табл. 3 представлена оценка уровня готовности компетенций по каждому направлению научных исследований, выделяемых в МГТУ «СТАНКИН» в области высокоэффективных технологий обработки и материаловедения (в рамках кафедры ВТО), в соответствии со шкалой уровня готовности технологий по ГОСТ Р 58048 [14].
Наиболее зрелыми на сегодняшний день являются направления «Поверхностная модификация PVD-покрытиями» (д.т.н., проф. С.Н. Григорьев) и «Плазменно-электролитная обработка» (д.т.н., проф. И.В. Суминов) с уровнем готовности компетенций УГТ 5. PVD-покрытия применяются для повышения стойкости режущих инструментов, штампов, пресс-форм, деталей двигателей и медицинских имплантатов. Плазменно-электролитная обработка охватывает высокоскоростную химико-термическую обработку, формирование функциональных покрытий и плазменно-электролитное полирование; областями применения служат рабочие лопатки газовых турбин, компоненты теплообменников, детали химического машиностроения, режущий инструмент.
Прикладная значимость результатов научных направлений кафедры подтверждается портфелем крупных проектов с участием системообразующих предприятий российской промышленности, в частности, АО ПО «Стрела», ПАО «КамАЗ», ООО «Вириал» и др.
Так, проект с ПАО «КамАЗ»
(2025–2027 гг.) направлен на разработку новых износостойких покрытий и технологий их нанесения на режущие инструменты, применяемые в серийном производстве, создание информационных баз данных по выбору рациональных покрытий и режимов их нанесения для инструментов различного типоразмера и функционального назначения, формирование технологических рекомендаций по рациональному применению режущего инструмента и подготовку научных кадров для заказчика через аспирантуру МГТУ «СТАНКИН».
Проект с ООО «Вириал» (2025–2027 гг.) ориентирован на сменные многогранные пластины для сборных фрез, используемые в обработке нержавеющих сталей, жаропрочных и титановых сплавов, и предусматривает разработку нанокомпозитных PVD-покрытий.
Проект с АО «ПО «Стрела»
(2021–2026 гг.) реализует принципы упрочнения режущего инструмента для обработки титановых и никелевых сплавов в интересах производства продукции специального назначения, включая оптимизацию режимов эксплуатации на обрабатывающих центрах с ЧПУ.
Проект с АО «ЦНИИАГ»
(2023–2027 гг.) представляет направление аддитивного производства: разработка технологии изготовления топологически оптимизированных корпусных изделий из лёгких сплавов методом селективного лазерного сплавления, включая технологические режимы термообработки и постобработки (эрозионной, фрезерной и др.), а также создание опытного образца системы измерения угловых отклонений ответственных поверхностей.
Проект с ФГАОУ ВО «МФТИ»
(55,58 млн руб., 2023–2025 гг.) реализует программно-аппаратное обеспечение принтера плазмонных наноструктур, включая управление координатными системами, зеркалами перемещения лазерного луча, фокусирующей линзой и мощностью двух лазерных источников (спекания и оптимизации).
Заключение
Проведённый системный анализ развития высокоэффективных технологий обработки в МГТУ «СТАНКИН» позволяет сформулировать следующие обобщающие выводы.
Основные направления развития высокоэффективных технологий обработки в МГТУ «СТАНКИН» – аддитивные и лазерные технологии, искровое плазменное спекание, плазменно-электролитная обработка, электроэрозионная обработка, поверхностная модификация PVD-покрытиями, биоматериалы и технологии, адаптивное управление и интеллектуальный анализ процессов обработки – являются органическим расширением методологии, заложенной предшествующими поколениями учёных, и в совокупности образуют замкнутый инженерно-технологический контур.
Стратегия развития сформирована на пересечении двух групп факторов: государственного запроса на технологический суверенитет и объективных технологических вызовов, связанных с необходимостью замены около двух тысяч иностранных продуктов и технологий российскими аналогами. Тематическая программа научных исследований МГТУ «СТАНКИН» покрывает как критические технологии (п. 6 [3]), так и сквозные технологии, а также обеспечивает вклад в мегапроекты Правительства РФ [15] и реальные отраслевые запросы на режущий инструмент, аддитивное производство и поверхностное упрочнение ответственных изделий.
Портфель крупных промышленных проектов МГТУ «СТАНКИН» с ПАО «КамАЗ», ООО «Вириал», АО ПО «Стрела» и другими промышленными партнерами подтверждает переход от академической разработки к промышленному внедрению по полному циклу «НИОКР – рекомендации – подготовка кадров заказчика», демонстрируя способность доводить разработки до внедрения в реальный сектор экономики.
Таким образом, стратегия развития высокоэффективных технологий обработки в МГТУ «СТАНКИН» носит системный характер, опирается на проверенную наукометрическими показателями и промышленными проектами компетентностную базу, базируется на преемственности научных школ. Совокупность научных направлений, промышленных проектов, образовательных программ и международных связей кафедры ВТО МГТУ «СТАНКИН» позволяет рассматривать её как устойчивый элемент национальной инновационной системы, обеспечивающий технологический суверенитет Российской Федерации в области станкостроения, инструментального производства и физико-технических методов обработки ответственных изделий машиностроения.
