Процессы и операции формообразования

А.А. ЧЕРЕПАХИН, В.В. КЛЕПИКОВ

УЧЕБНИК

Москва
КУРС
ИНФРА-М
2020

ПРОЦЕССЫ И ОПЕРАЦИИ 

ФОРМООБРАЗОВАНИЯ

Рекомендовано 
в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по направлению подготовки 15.03 05 (151900)— 
конструкторско-технологическое обеспечение  
машиностроительных производств 
(квалификация «бакалавр»)

УДК 669.018.29.004.14(075.8)
ББК К63-111я73

Ч46

© Черепахин А.А.,
 
Клепиков В.В., 2016

© КУРС, 2016

А.А. Черепахин, В.В. Клепиков
Процессы и операции формообразования: Учебник  / 
А.А.Черепахин, В.В.Клепиков.—Москва: КУРС : ИНФРА-М,
2020. — 256 с.   

ISBN 978-5-906818-28-7 (КУРС)
ISBN 978-5-16-011919-9 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-104454-4 (ИНФРА-М, online)

Учебник написан в соответствии с требованием государственного обра
зовательного стандарта преподавания дисциплины «Процессы и операции
формообразования» по направлению подготовки 15.03.05. (151900) — Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств
(квалификация «бакалавр»).

В учебнике рассмотрены основные принципы формообразования поверх
ностей на стадиях получения заготовки и механической обработки. Рассмотрены вопросы геометрии поверхностей деталей и инструментов, кинематики их относительного движения в процессе формообразования.

Процессы формообразования поверхностей изложены с позиции реше
ния задачи синтеза оптимального способа обработки по триаде критериев
«себестоимость — качество — производительность».

Для студентов машиностроительных вузов технологических специальностей.

УДК 669.018.29.004.14(075.8)
ББК К63-111я73

Ч46

ISBN 978-5-906818-28-7 (КУРС)
ISBN 978-5-16-011919-9 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-104454-4 (ИНФРА-М, online)

ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 2 ст. 1

Рецензенты:
А.С. Калашников — д-р техн. наук, профессор кафедры «Технология машиностроения»
университета Машиностроения «МАМИ».
В.П. Вороненко — д-р техн. наук, профессор МГТУ «Станкин».

ВВЕДЕНИЕ

Основная задача современного машиностроительного комплекса — создание высококачественных, конкурентоспособных изделий с соблюдением триады показателей «при заданных точности 
и производительности обеспечить минимальную себестоимость».

Любая деталь машины ограничена рядом поверхностей, различных по назначению, форме, размерам, точности, шероховатости и по 
другим показателям. Эти поверхности деталей расположены одна 
относительно другой с заданной точностью, исходя из служебного 
назначения деталей в машине. Поэтому при изготовлении детали для 
каждой ее поверхности должны быть выбраны соответствующие методы обработки и установлена последовательность обработки этих 
поверхностей с учетом их связи.
Конечное качество изделия закладывается на стадии получения 
заготовки, но обеспечивается на стадии механической обработки, 
чаще всего обработки резанием. Но обеспечение оптимального сочетания показателей триады «себестоимость — точность — производительность» возможно только за счет системного подхода при проектировании как самого изделия, так и процессов формообразования 
на всех стадиях производства. Другими словами, как конструктору, 
так и технологам необходимо учитывать возможности и технологические требования всех этапов формообразования, их влияние на 
конечные потребительские свойства изделия.

Часть 1 
ОБЩИЕ ВОПРОСЫ 
ФОРМООБРАЗОВАНИЯ

Глава 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ 

ПРОИЗВОДСТВЕННОГО 
И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

1.1. Структура производственного процесса

Производственный процесс — совокупность всех действий людей 

и орудий труда, необходимых на данном предприятии для изготовления или ремонта выпускаемых изделий.
В зависимости от назначения различают производственные процессы основные, вспомогательные и обслуживающие (рис. 1.1).

В ходе основных производственных процессов происходят изменения геометрических форм, размеров и физико­химических свойств 
продукции.
Основные производственные процессы разбиваются на три фазы 

(стадии): заготовительная, обрабатывающая и сборочно­испытательная.

К заготовительной стадии относятся: процессы контроля и подготовки к обработке полуфабриката и исходных материалов; получение заготовок (отливок или поковок). Обрабатывающая стадия 
включает в себя процессы превращения заготовок в готовые изделия 
(детали): механическая, термическая и иная обработка. Сборочно­испытательная стадия включает в себя сборку и испытания изделия.
Вспомогательные производственные процессы обеспечивают 

бесперебойное протекание основных процессов (изготовление и ремонт инструментов и оснастки; ремонт оборудования; обеспечение 
производства электроэнергией, теплом, паром, водой, сжатым воздухом и т.д.).

Обслуживающие производственные процессы не создают продукцию, они связаны с обслуживанием как основных, так и вспомога5

тельных процессов (хранение, транспортировка, технический контроль и т.д.).

Основой производственного процесса является технологический 
процесс.

1.2. Структура технологического процесса

Формообразование поверхностей детали начинается на заготовительной стадии и заканчивается на стадии механической обработки. 
При этом требуемая точность поверхностей и их взаимного положения закладывается на заготовительной стадии и достигается на чистовых (финишных) этапах механической обработки.
Технологический процесс — часть производственного процесса, 

содержащая целенаправленные действия по изменению и (или) 

Рис. 1.1. Структура производственного процесса

определению состояния предмета труда (к предметам труда относятся 
детали, заготовки).
Структурно технологический процесс состоит из последовательно 
выполняемых технологических операций (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Структурная схема технологического процесса

Технологическая операция — законченная часть технологического 

процесса, выполняемая на одном рабочем месте и охватывающая все 
действия оборудования и рабочих над одним или несколькими совместно обрабатываемыми или собираемыми объектами производства.

Технологическая операция — это основной элемент технологического процесса. Она охватывает все действия оборудования и рабочего. Например, станочная операция механической обработки включает все действия рабочего, управляющего станком, автоматические 
движения узлов станка, осуществляемые в процессе обработки поверхностей заготовки до момента снятия ее со станка и перехода 
к обработке другой заготовки. При этом возможны:
• одновременная обработка нескольких заготовок (установочная 
партия);

• одновременная или последовательная обработка нескольких поверхностей заготовки одним или несколькими инструментами.
Содержание операции может изменяться в широких пределах: от 

работы, выполняемой на отдельном станке (или на сборочном стенде) 
в обычном производстве, до работы, выполняемой на автоматической 
линии, представляющей собой комплекс технологического обору7

дования, связанного единой транспортной системой и имеющего 
единую систему управления, в автоматизированном производстве.

Технологический переход — законченная часть технологической 

операции, выполняемая одними и теми же средствами технологического оснащения при постоянных технологических режимах и установке.

Вспомогательный переход — это законченная часть технологической операции, состоящая из действий человека и (или) оборудования, которые не сопровождаются изменением свойств предметов 
труда, но необходимы для выполнения технологического перехода 
(например, установка заготовки, смена инструмента и т.п.). Переход 
можно выполнять за один или несколько рабочих ходов.

Рабочий ход — это законченная часть технологического перехода, 
состоящая из однократного перемещения инструмента относительно 
заготовки, сопровождаемая изменением формы, размеров, качества 
поверхности и свойств заготовки.

Позиция — это фиксированное положение, занимаемое неизменно закрепленной обрабатываемой заготовкой или собираемой 
сборочной единицей, или деталью совместно с приспособлением 
относительно инструмента или неподвижной части оборудования 
для выполнения определенной части операции.

Установ — часть технологической операции, выполняемая при 
неизменном закреплении обрабатываемой заготовки или сборочной 
единицы.

1.3. Изделие и деталь

В машиностроении изделием (рис. 1.3) называется предмет производства, подлежащий изготовлению. В качестве изделия выступает 
машина, устройство, механизм, инструмент и их составные части: 
сборочная единица, деталь. Количество изделий может исчисляться 
штуками или экземплярами.

К изделиям относятся завершенные и незавершенные предметы 

производства, в том числе и заготовки.

В зависимости от наличия составных частей различают специфицированные и неспецифицированные изделия (рис. 1.3).

Неспецифицированные изделия не имеют составных частей (деталь, 
заготовка).
Специфицированные изделия состоят из двух и более частей (сборочные единицы, комплекты, комплексы).
Сборочная единица (рис. 1.4) — это изделие, составные части которого подлежат соединению на предприятии обособленно от других 
элементов изделия.

Рис. 1.3. Состав изделия 

Рис. 1.4. Сборочные единицы изделия «Автомобиль»: 
1 — кузов; 2 — двигатель; 3 — задние фонари; 4 — сидения; 5 — коробка 
отбора мощности; 6 — коробка скоростей; 7 — аккумулятор; 8 — блок фар

Сборочная единица в зависимости от конструкции может состоять 

либо из отдельных деталей, либо включать сборочные единицы более 
высоких порядков и детали. Различают сборочные единицы первого, 
второго и более высоких порядков. Сборочная единица первого порядка (рис. 1.5) входит непосредственно в изделие. Она состоит либо 
из отдельных деталей, либо из одной или нескольких сборочных единиц второго порядка 1 и деталей 3, 4. Сборочная единица второго порядка расчленяется на детали или сборочные единицы третьего порядка и детали и т.д. Сборочная единица наивысшего порядка расчленяется только на детали. Рассмотренное деление изделия на составные 
части производится по технологическому признаку.

Рис. 1.5. Сборочная единица 1 порядка «Ковш»: 
1 — сборочная единица 2­го порядка «Металлоконструкция ковша»;  
3, 4 — детали «Шплинт и палец»

1.4. Деталь как объект производства

Деталь — неспецифицированное изделие, изготавливаемое из 

однородного по наименованию и марке материала без применения 
сборочных операций. Характерный признак детали — отсутствие 
в ней разъемных и неразъемных соединений1.
Деталь представляет собой комплекс взаимосвязанных поверхностей, выполняющих различные функции при эксплуатации машины. 
Каждая поверхность имеет свою геометрическую форму. Геометри1 К деталям также относятся изделия: изготовленные из биметалла или 

композиционного материала; подвергнутые покрытиям (защитным или декоративным), независимо от вида, толщины и назначения, или изготовленные 
с применением сварки, пайки, склейки и т.п. (например, трубка, сваренная 
из одного куска материала).

ческая форма каждой поверхности деталей машин определяется их 
конструктивно­эксплуатационным назначением и может быть самой 
разнообразной (чаще всего используются: цилиндрические, плоские, 
комбинированные, конические, сферические, винтовые и профильные поверхности). Геометрическая форма поверхности

У каждой детали, участвующей в сборке, имеются сопрягающиеся 

и не сопрягающиеся поверхности. Первые при сборке соприкасаются 
с поверхностями других деталей, образуя соответствующие сопряжения.
Все поверхности могут иметь различное функциональное назначение.
Различают следующие виды поверхности детали: рабочие базовые, 

вспомогательные и свободные (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Виды поверхностей на изделии: 
1 — свободные; 2 — рабочие; 3 — базовые; 4 — вспомогательные

Рабочие поверхности 2 — принимают непосредственное участие 

в работе изделия. Они обладают самыми высокими качественными 
и точностными характеристиками поверхностного слоя (чаще всего 
они термически обрабатываются, подвергаются чистовой и финишной обработке).
Базовые поверхности 3 — определяют положение изделия относительно других изделий в механизме. К ним предъявляют высокие 
требования к размерной точности, микрогеометрии и точности расположения с рабочими поверхностями (они также подвергаются 
термообработке и чистовой обработке).

С помощью вспомогательных поверхностей (4) определяется положение других изделий, присоединяемых к рассматриваемому изделию. Требования к этим поверхностям ниже, чем к рабочим и ба11

зовым. Чаще всего они подвергаются чистовой обработке, иногда — 
термообработке.
Свободные поверхности (1) — все остальные поверхности, обычно 

не сопрягаемые с поверхностями других изделий в процессе работы 
механизма. Они создают конструктивную форму, обеспечивают 
жесткость и не требуют высокой точности. Обычно они не обрабатываются.
Формирование геометрической формы поверхностей начинается 
на заготовительной стадии. Однако окончательные точностные, физико­механические и иные характеристики поверхности или сочетания поверхностей детали обеспечиваются на обрабатывающей 
стадии, чаще всего за счет срезания стружки, т.е. обработкой резанием.

1.5. Принципы выбора метода  
и способа формообразования

В машиностроении, как правило, заготовку или деталь машины 

можно изготовить, применяя разные методы и способы формообразования. Поэтому необходима технико­экономическая оценка выбора. Обычно для выбора оптимального технологического варианта 
изготовления той или иной детали машин сравнивают технологическую себестоимость разных вариантов изготовления. Себестоимость 
формообразования детали в рублях, где комплексно учитываются все 
затраты, можно представить в общем виде как:

С = Е · К +(М + З + И + О),
(1.1)

где: К — стоимость основных фондов (производственной площади 
и оборудования); Е — коэффициент окупаемости основных фондов 

(E
T
= 1 ; Т — срок окупаемости основных фондов, 5...7 лет); М — 

стоимость расходуемых материалов; З — зарплата производственных 
рабочих; И — расходы, связанные с эксплуатацией технологической 
оснастки и инструмента; О — затраты, связанные с содержанием 
и эксплуатацией оборудования.

Но при выборе метода и способа формообразования необходимо 

учитывать физико­химические и механические характеристики обрабатываемого материала, требования по точности и качеству обрабатываемых поверхностей детали, а также определенные ограничения, присущие тому или иному методу и способу формообразования. 
Так, например, метод формообразования давлением предполагает 
у обрабатываемого материала наличие такого свойства, как пластичность. При горячей деформации точность получаемых поверхностей 

не выше IT 12 с параметром шероховатости Rа не выше 6,3 мкм. При 
этом на получаемом изделии обязательно будет присутствовать дефектный слой, который будет ухудшать эксплуатационные показатели изделия.

Физико­химические методы обработки характеризуются высокой 

энергонасыщенностью происходящих процессов при обработке поверхностей деталей, поэтому во многих случаях технологическая 
себестоимость обработки очень высока. Кроме того, например, для 
применения электроэрозионной обработки необходимо, чтобы обрабатываемый материал был токопроводящим, а для возможности 
применения ультразвуковой размерной обработки обрабатываемый 
материал должен быть хрупким.

Контрольные вопросы

1. Что подразумевается под термином «производственный процесс»?
2. В чем разница между производственным и технологическим процессом?
3. К какому виду процесса относится ремонт станков на машиностроительном 
предприятии?
4. К какой стадии основного процесса относится термическая обработка?
5. В чем разница между специфицированными и неспецифицированными 
изделиями?
6. Чем сборочная единица отличается от изделия?
7. Можно ли отнести к детали стальную сварную трубу с нанесенным на ее 
поверхность покрытием?
8. Какие функции выполняют рабочие и базовые поверхности?
9. Почему требования к базовым поверхностям выше требований к вспомогательным поверхностям?

Глава 2. МЕТОДОЛОГИЯ 

ФОРМООБРАЗОВАНИЯ 
ПОВЕРХНОСТЕЙ

2.1. Классификация процессов формообразования

Формообразование — совокупность процессов, методов и способов 

получения готовой детали с требуемыми размерами, формой и качеством поверхности.

2.1.1. Общая системная модель формообразования

Общую системную модель процесса формообразования можно 

представить в виде «черного ящика» (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Системная модель процесса формообразования

На вход структуры «Процесс формообразования» поступает:

• материя как объект преобразования (материал будущей детали, 
технологические материалы);

• энергия, необходимая для формообразования, как средство воздействия на объект преобразования;

• информация (чертеж детали с указанием ее формы, материала, 

технических требований к поверхностям).
Анализ потока материалов, поступающих на вход процесса формообразования, положен в основу классификации процессов формообразования по топологическим результатам: стандарт DIN 8580:2003­09. 
Manufacturing processes — Terms and definitions, division, Производственные процессы. Термины и определения, разделение (рис. 2.2).

В соответствии с данной классификацией, все процессы формообразования делятся на четыре группы: создающие связи (например, 
литье — образование нового твердого тела), сохраняющие связи (например, обработка металлов давлением — формообразование без 
изменения массы заготовки), разрывающие связи (например, формообразование резанием), увеличивающие число связей (например, 
сварка, склейка).