Материаловедение в станкостроении

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ 
В СТАНКОСТРОЕНИИ

A.M. АДАСКИН

Рекомендовано в качестве учебника

для бакалавров, магистрантов и аспирантов, 

обучающихся по укрупненным группам 

специальностей 15.00.00 «Машиностроение» 

и 22.00.00 «Технологии материалов»

Москва

ИНФРА-М

2019

УЧЕБНИК

УДК [620.22+67.05](075.8)
ББК 30.3:34.63-5я73
 
А28

Адаскин A.M.
А28 
 
Материаловедение в станкостроении : учебник / A.M. Адаскин. — 
М. : ИНФРА-М, 2019. — 320 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). — www.dx.doi.org/10.12737/textbook_5c18cbc2d0a8a4.50173134.

ISBN 978-5-16-014918-9 (print)
ISBN 978-5-16-107415-2 (online)

В учебнике определена основная задача материаловедения в станкостроении — 
это выбор материалов и технологий, обеспечивающих точность станка. Рассмотрены 
конструкционные материалы для изготовления станочных деталей, материалы режущего, вспомогательного инструмента и деталей приспособ лений. Это материалы 
деталей системы «станок — приспособление — инст румент — деталь» — системы 
СПИД, определяющей жесткость станка и точность обработки.
Показаны возможные причины и механизмы потери точности и работоспособности станка: износ и самопроизвольное изменение размеров деталей во времени, 
усталостное разрушение.
Приведены принципы и рекомендации выбора материалов стальных и чугунных 
металлоемких деталей и деталей контртел пар трения скольжения и качения, а также 
упрочняющих и стабилизирующих технологий обработки, обеспечивающих сохранение длительной точности станка.
В приложениях приведены рекомендации по выбору инструментальных материалов для различных условий эксплуатации станков и инструментов; материалов пар 
трения; маршрутные технологии изготовления прецизионных деталей станков.
Учебник предназначен для бакалавров и магистрантов, обучающихся по специальностям «Машиностроение», «Технологии материалов», может быть использован 
при обучении аспирантов машиностроительных специальностей и для повышения 
квалификации инженеров-конструкторов и технологов машиностроительных заводов, в первую очередь предприятий станкостроения.
УДК [620.22+67.05](075.8)
ББК 30.3:34.63-5я73

А в т о р:
Адаскин А.М. — кандидат технических наук, доцент, доцент Московского государственного технологического университета «СТАНКИН», лауреат первой премии имени Д.К. Чернова, почетный работник высшего профессионального образования РФ

Н а у ч н ы й  р е д а к т о р:
Григорьев С.Н. — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой 
«Высокоэффективные технологии обработки» Московского государственного технологического университета «СТАНКИН»

Р е ц е н з е н т ы:
Красновский А.Н. — доктор технических наук, заведующий кафедрой «Композиционные материалы» Московского государственного технологического университета «СТАНКИН»;
Околович Г.А. — доктор технических наук, профессор кафедры «Машиностроительные технологии и оборудование» Алтайского государственного технического 
университета имени И.И. Ползунова

ISBN 978-5-16-014918-9 (print)
ISBN 978-5-16-107415-2 (online)
© Адаскин A.M., 2019

СОДЕРЖ АНИЕ

Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

ЧАСТЬ I.  
МАТЕРИАЛЫ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА 
И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ОСНАСТКИ . . . . . . . . . . . . 10

Глава 1. Влияние инструментальных материалов на конструкцию 
станков и режимы резания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

Глава 2. Инструментальные материалы лезвийного  
инструмента . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1. Условия эксплуатации инструмента. Требования к свойствам 
инструментальных материалов .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 15
2.2. Углеродистые и легированные инструментальные стали . . . . . . 18
2.3. Быстрорежущие стали. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.4. Твердые сплавы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.5. Режущая керамика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.6. Сверхтвердые материалы (СТМ) на основе углерода  
и нитрида бора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

Глава 3. Материалы абразивных инструментов. . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.1. Абразивные материалы (абразивы) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.2. Материалы связки инструментов на жесткой основе. . . . . . . . . 46
3.3. Материалы инструмента на гибкой основе . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.4. Материалы абразивных паст, притиров, полировальников. . . . . 49

Глава 4. Рациональное применение инструментальных материалов 
для лезвийной обработки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.1. Быстрорежущие стали. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.2. Твердые сплавы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.3. Износостойкие покрытия инструмента из быстрорежущих сталей 
и твердых сплавов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.4. Режущая керамика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.5. Сверхтвердые материалы (СТМ). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

Глава 5. Рациональное применение материалов абразивных 
инструментов  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5.1. Инструмент на жесткой основе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5.2. Абразивный инструмент на гибкой основе . . . . . . . . . . . . . . . 74
5.3. Абразивные пасты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

Глава 6. Конструкционные материалы режущего инструмента 
и технологической оснастки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
6.1. Конструкционные материалы режущего инструмента. . . . . . . . 78
6.2. Материалы технологической оснастки .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 85

Содержание
Содержание

Содержание

Приложение I-1. Назначение быстрорежущих сталей в соответствии  
со стандартом EN17006 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

Приложение I-2. Область применения твердых сплавов  
(в соответствии с ГОСТ 3882-74 и ИСО 513-75) . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

Приложение I-3. Область применения безвольфрамовых твердых 
сплавов в соответствии с ГОСТ 26530-85  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

Приложение I-4. Характеристики абразивных кругов . . . . . . . . . . . . . . . 97
Приложение I-4-1. Обозначение зернистости инструмента. . . . . . . . 97
Приложение I-4-2. Обозначение связки инструмента . . . . . . . . . . . 98
Приложение I-4-3. Обозначение твердости инструмента . . . . . . . . . 98
Приложение I-4-4. Маркировка шлифовального круга (пример) . . . . 99

Контрольные вопросы к Части I. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  100

Литература к Части I. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  101

ЧАСТЬ II. 
КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ. ТРЕБОВАНИЯ 
К МАТЕРИАЛАМ ДЕТАЛЕЙ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ 
ТОЧНОСТЬ СТАНКА .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
. 102

Глава 7. Типовые узлы, определяющие точность станка. . . . . . . . .  106
7.1. Станины и направляющие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  106
7.2. Шпиндельные узлы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
7.3. Механизмы осуществления поступательного движения. . . . . .  110
7.4. Эксплуатационные требования к системам станка . . . . . . . . . 111

Глава 8. Влияние свойств материала на жесткость 
и виброустойчивость детали (узла) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
8.1. Влияние на жесткость . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  114
8.2. Влияние на виброустойчивость. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  118

Глава 9. Изнашивание деталей станков. Требования  
к свойствам материалов деталей пар трения . . . . . . . . . . . . . . . 121
9.1. Виды изнашивания  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
9.2. Кинетика изнашивания. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  125
9.3. Влияние свойств материала на кинетику изнашивания. . . . . .  127

Глава 10. Усталостное разрушение деталей станков.  
Требования к свойствам материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
10.1. Усталостное разрушение при циклических нагрузках . . . . . . 136
10.2. Контактная выносливость . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

Глава 11. Требования к свойствам поверхностных слоев  
деталей, работающих в условиях изнашивания и циклических 
нагрузок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
11.1. Шероховатость и геометрия поверхности  . . . . . . . . . . . . . . 146
11.2. Остаточные напряжения в поверхностных слоях  . . . . . . . . . 153

Глава 12. Причины самопроизвольного изменения размеров  
и формы деталей станков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

Содержание

12.1. Влияние фазовых превращений на стабильность размеров 
деталей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  158
12.2. Причины возникновения и релаксации остаточных  
напряжений. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  159

Приложение II–1. Числовые значения допусков по ГОСТ 25346–89 . . . 174

Контрольные вопросы к Части II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175

Литература к Части II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176

ЧАСТЬ III.  
КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ. ОБЕСПЕЧЕНИЕ 
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ . . . . . . . . . . . . . 178

Глава 13. Влияние поверхностного слоя на эксплуатационные  
свойства деталей. Технологии, формирующие  
поверхностные слои . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  179

Глава 14. Обеспечение износостойкости узлов станка. Выбор 
материалов и технологий упрочнения деталей . . . . . . . . . . . . . .  183
14.1. Влияние структуры и свойств сталей и чугунов  
на сопротивление изнашиванию . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
14.2. Объемное упрочнение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
14.3. Поверхностное упрочнение  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
14.4. Выбор технологии упрочнения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204

Глава 15. Материалы и технологии упрочнения металлоемких 
деталей, определяющих точность станка . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
15.1. Станины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
15.2. Шпиндели  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
15.3. Накладные направляющие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  221
15.4. Ходовые винты. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  226
15.5. Гильзы и пиноли . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231

Глава 16. Материалы деталей контртел, работающих  
в паре трения со сталью и чугуном  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
16.1. Требования к материалам пары трения (контртел) . . . . . . . . 233
16.2. Износостойкость и коэффициент трения скольжения  
материалов контртел . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  234
16.3. Свойства и область применения антифрикционных  
материалов контртел . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  238
16.4. Материалы пар трения качения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  245
16.5. Выбор материалов контртел для направляющих, шпинделей, 
ходовых винтов  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
16.6. Защита направляющих и пар «винт — гайка». . . . . . . . . . . .  254

Глава 17. 
Снижение деформаций при изготовлении стальных деталей, 
определяющих точность станка. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  257
17.1. Требования к конструкции детали .  . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
17.2. Малодеформирующиеся стали. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  259
17.3. Особенности технологии изготовления прецизионных  
деталей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  265

Содержание

17.4. Снижение деформаций при изготовлении неупрочняемых 
деталей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  273

Глава 18. Стабилизация размеров стальных деталей . . . . . . . . . . . 274
18.1. Требования к стабильности размеров прецизионных  
деталей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  274
18.2. Обеспечение стабильности размеров . . . . . . . . . . . . . . . . . 275

Глава 19. Стабилизации размеров чугунных базовых деталей  . . . . 283
19.1. Влияние структуры чугуна на релаксационные свойства .  . . . 283
19.2. Влияние механических свойств чугуна на релаксационную 
стойкость  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
19.3. Методы стабилизации размеров чугунных базовых деталей . .  287
19.4. Выбор технологии старения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296

Приложение III-1. Эквивалентный размер сечения . . . . . . . . . . . . . 299

Приложение III-2. Концы шпинделей фланцевого типа  
по ГОСТ 12595–85. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  301

Приложение III-3. Концы шпинделей по ГОСТ 24644—81 . . . . . . . . . . 302

Приложение III-4. Твердость, параметры нагруженности  
и назначение антифрикционных чугунов. . . . . . . . . . . . . . . . . .  304

Приложение III-5. Твердость, параметры нагруженности и область 
применения латуней и бронз. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  306

Приложение III-6. Примерное назначение цинковых сплавов  
и изделий из них в соответствии с ГОСТ 21437–95. . . . . . . . . . . . .  308

Приложение III-7. Твердость, параметры нагруженности  
и назначение баббитов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309

Приложение III-8. Технологические маршруты изготовления 
ответственных стальных деталей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
Приложение III-8-1. Технологический маршрут изготовления  
объемно-упрочняемой детали (ходовой винт сталь ХВГ) . . . . . . . . 310
Приложение III-8-2. Технологический маршрут детали,  
упрочняемой закалкой ТВЧ (шпиндель сталь 55ПП) . . . . . . . . . . . 311
Приложение III-8-3. Технологический маршрут детали,  
упрочняемой цементацией (направляющая планка; сталь 18ХГТ) . .  312
Приложение III-8-4. Технологический маршрут детали,  
упрочняемой азотированием (гильза координатно-расточного  
станка, сталь 38Х2МЮА) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  313

Приложение III-9. Технологический маршрут изготовления деталей 
из отливок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
Приложение III-9–1. Технологический маршрут изготовления 
упрочняемой чугунной детали (планка). . . . . . . . . . . . . . . . . . .  314
Приложение III-9–1. Технологический маршрут изготовления  
чугунной отливки (станина станка класса точности В) . . . . . . . . . 315

Контрольные вопросы к Части III. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  316

Литература к Части III. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  317

ВВЕДЕНИЕ

Введение
Введение

Станкостроение ведущая отрасль машиностроения, создающая технологическое оборудование для всех отраслей народного хозяйства. Это металлообрабатывающие и деревообрабатывающие станки, кузнечно — прессовое, литейное 
оборудование. Уникальность станков, как технологического оборудования, заключается в возможности самопроизводства, т.е. способности изготавливать на станках не только различные изделия, но и технологическое оборудование, в том 
числе, станки.
Уровень развития станкостроения является важным критерием, характеризующим состояние экономики государства его технологическую независимость и экономическую 
безопасность.
Точность и производительность обработки, во многом, 
определяет система СПИД «станок — приспособление — инструмент — деталь». Важную роль при этом играют материалы, из которых изготовлены элементы этой системы — 
инструмент, детали станков и оснастки. Изучению именно этих материалов посвящен учебник «Материаловедение в 
станкостроении».
Учебник состоит из трех частей.
В первой части рассматриваются материалы для изготовления режущего, вспомогательного инструмента и деталей 
станочной оснастки.
Современный инструмент — это наукоемкое изделие, его 
конструкция базируется на многих достижениях отечественной и мировой науки и техники, среди которых особое и весьма важное место занимают инструментальные материалы. 
Эта часть учебника базируется, главным образом, на работах 
кафедры «Металловедение» МГТУ СТАНКИН и Всесоюзного 
научно-исследовательского института твердых сплавов 
(ВНИИТС) по созданию инструментальных материалов, разработке технологических рекомендаций по рациональному 
применению инструментов из различных материалов. В этой 
части рассмотрена эволюция инструментальных материалов 
и их влияние на конструкцию станков и производительность 

Введение

обработки резанием, а также даны рекомендации по применению конструкционных материалов, применяемых при изготовлении инструмента и станочных приспособлений.
Вторая и третья части посвящены материалам и технологиям упрочнения деталей станков, входящих в узлы, непосредственно влияющие на работоспособность станочного оборудования, а именно на сохранение долговременной 
точности.
Во второй части рассматриваются технические требования к станкам и условия работы станочного оборудования. 
Определяется степень влияния материала на обеспечение и 
длительное сохранение точности станка — важнейшей характеристики работоспособности. Эта часть базируется на 
фундаментальных металловедческих работах по теории трения, усталости, стабильности структуры материалов — факторов определяющих точность обработки на станках.
Третья часть посвящена выбору материалов и технологий обработки, обеспечивающих достижение необходимых 
свойств материалов, предназначенных для изготовления ответственных деталей. Эта часть основывается, прежде всего, 
на работах ЭНИМСа (Экспериментальный научно-исследовательский институт металлорежущих станков), который за 
годы деятельности разработал тысячи моделей и типоразмеров металлообрабатывающих станков.
Конструктивно, именно станок являются наиболее сложным элементом системы СПИД. В настоящее время это наукоемкая технологическая система, прошедшая эволюцию от 
простейших немеханизированных устройств до интеллектуального, высокопроизводительного оборудования.
Важнейшими этапами развития станков, определяющими 
их конструкцию, можно назвать следующие (в хронологическом порядке):
• появление механического (электромеханического) привода (XIX век);
• развитие инструментальных материалов и, соответственно, инструмента, определяющего возможность обработки с весьма высокими скоростями резания, значительными 
силовыми нагрузками (XX–XXI век);
• развитие электроники и цифровых технологий (XX–
XXI век), изменившее и технологию производства, и условия 
эксплуатации станков: цифровое проектирование детали и 

Введение

программы ее обработки и, наконец, изготовление детали на 
станках с ЧПУ.
Параллельно с этим происходило развитие конструкций 
отдельных типовых узлов станков (подшипниковые узлы, 
шарико — винтовые передачи качения, интеллектуальные 
шпиндели и др.), которые в настоящее время изготавливаются на специальных предприятиях и могут быть использованы 
в конструкции станка как готовые модули. Стал возможным 
модульный принцип проектирования и изготовления станка, при этом станкозавод превращается, в определенной степени, в сборочное производство.
Однако, это не снимает проблемы рационального выбора 
материалов для изготовления ответственных (определяющих 
работоспособность станка) деталей, входящих в централизовано изготовленные модули, или изготавливаемых непосредственно на заводах выпускающих станки.
Учебник предназначен для подготовки бакалавров, магистров и аспирантов по специальностям 15.000 «Машиностроение», 22.00.00 «Технология материалов», а также рассчитан на специалистов — конструкторов, проектирующих 
станки, режущий и вспомогательный инструмент, приспособления и технологов, разрабатывающих технологические 
процессы изготовления этих изделий.

ЧАСТЬ I. 
МАТЕРИА ЛЫ РЕЖУЩЕГО 
ИНСТРУМЕНТА 
И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ОСНАСТКИ

Глава 1. 
Влияние инструментальных 
материалов на конструкцию станков 
и режимы резания

Часть I. Материалы режущего инструмента и технологической оснастки
Глава 1. Влияние инструментальных материалов на конструкцию станков...

Развитие инструментальных материалов и, соответственно, инструмента, явилось важнейшим фактором прогресса в 
станкостроении, оказавшим влияние на конструкции станков и режимы резания. Бурное развитие инструментальных 
материалов произошло в исторически короткий период — менее ста лет — в ХХ веке, и обеспечило возможность промышленной революции.
В начале двадцатого века в качестве инструментальных 
материалов использовались инструментальные углеродистые и легированные стали. Эти стали не обладают теплостойкостью (способность сохранять твердость при нагреве), их разупрочнение происходит при нагреве до 200…250°C. 
Поэтому допустимые скорости резания не превосходят 
10…15 м/мин (табл. 1.1). При таких скоростях наибольшие затраты времени при обработке заготовок приходятся на основное (машинное) время (до 70%).
При таком балансе времени автоматизация технологического процесса, позволяющая сократить только вспомогатель