Проектирование заготовок в машиностроении. Практикум

ПРОЕКТИРОВАНИЕ 
ЗАГОТОВОК
В МАШИНОСТРОЕНИИ

2019

 
Минск 
Москва
 
«Новое знание» 
«ИНФРАМ»

С.С. КЛИМЕНКОВ

Допущено 
Министерством образования Республики Беларусь
в качестве учебного пособия для студентов 
учреждений высшего образования 
по машиностроительным специальностям

ПРАКТИКУМ

Рекомендовано в качестве учебного пособия 
для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по направлениям подготовки 15.03.01 «Машиностроение»,
15.03.02 «Технологические машины и оборудование»,
15.03.04 «Автоматизация технологических процессов и производств» 
(квалификация (степень) «бакалавр»)

УДК 621.7/.9(076.58)
ББК 34.42я73
 
К49

Клименков, С.С.
Проектирование заготовок в машиностроении. Практикум : 
учеб. пособие / С.С. Клименков. — Минск : Новое знание ; М. : 
ИНФРА-М, 2019. — 269 с. : ил. — (Высшее образование: Бакалавриат).

ISBN 978-985-475-585-4 (Новое знание).
ISBN 978-5-16-009042-9 (ИНФРА-М).

Содержит необходимые сведения о видах и материалах заготовок. 
Рассмотрены вопросы проектирования заготовок, изготавливаемых 
холодной и горячей штамповкой, прокаткой, литьем, сваркой или 
комбинацией этих способов. Практические задания с  примерами их 
выполнения позволяют студентам сформировать практические навыки проектирования.
Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по машиностроительным специальностям. 

УДК 621.7/.9(076.58)
ББК 34.42я73 

К49

 
© Клименков С.С., 2011
 
© Клименков С.С., 2013, 
с изменениями
 
© ООО «Новое знание», 2013

ISBN 978-985-475-585-4 (Новое знание)
ISBN 978-5-16-009042-9 (ИНФРА-М)

Р е ц е н з е н т ы:
кафедра «Технология машиностроения» Брестского государственного технического университета (зав. кафедрой — кандидат технических наук, доцент О.А. Медведев);
профессор кафедры «Технология машиностроения» Белорусско-российского университета, доктор технических наук, профессор А.П. Минаков

Оглавление

Предисловие.............................................................................................................. 7

Глава 1. Виды и материалы заготовок........................................................... 8
1.1. Общие сведения............................................................................................... 8
1.2. Виды и характеристики заготовок..........................................................10

1.2.1. Листовые штамповки.......................................................................10
1.2.2. Объемные штамповки......................................................................12
1.2.3. Поковки.................................................................................................14
1.2.4. Порошковые прессовки...................................................................19
1.2.5. Отливки.................................................................................................20
1.2.6. Комбинированные заготовки........................................................27

1.3. Материалы заготовок...................................................................................27

1.3.1. Стали для холодной листовой штамповки..............................27
1.3.2. Стали для холодной объемной штамповки.............................28
1.3.3. Материалы для горячей объемной штамповки......................29
1.3.4. Порошковые материалы..................................................................36
1.3.5. Материалы для отливок..................................................................37

Глава 2. Проектирование заготовок, изготовляемых 
холодной штамповкой.........................................................................................46
Задание 1. Плоские листоштампованные заготовки................................46

Технологические рекомендации к плоским заготовкам,
изготовляемым на специальных штампах в условии
серийного и массового производства...................................................47
Простановка размеров...............................................................................52
Технологические требования, предъявляемые
к конфигурации плоских заготовок, штампуемых
на универсально‑переналаживаемых штампах в условиях
единичного и мелкосерийного производства....................................53
Варианты к заданию 1...............................................................................58

Задание 2. Изогнутые листоштампованные заготовки...........................61

Технологичность изогнутых деталей....................................................61
Расчет длины развертки заготовки.......................................................64
Особенности простановки размеров изогнутых заготовок..........66
Варианты к заданию 2...............................................................................68

Оглавление
4

Задание 3. Вытягиваемые листоштампованные заготовки....................70

Рекомендации и требования, предъявляемые
к конфигурации вытягиваемых заготовок.........................................70
Разработка чертежа вытягиваемой заготовки..................................73
Простановка размеров...............................................................................75
Варианты к заданию 3...............................................................................76

Задание 4. Заготовки, получаемые вытяжкой с преднамеренным
утонением стенок...................................................................................................78

Расчет заготовок...........................................................................................78
Количество переходов и размеры полуфабрикатов.......................79
Варианты к заданию 4...............................................................................83

Задание 5. Листоштампованные заготовки сложной формы................84

Технологические особенности формообразующих операций.....84
Варианты к заданию 5...............................................................................88

Задание 6. Проектирование заготовок, получаемых холодной
объемной штамповкой.........................................................................................90

Общие сведения о холодной объемной штамповке........................90
Точность размеров заготовок..................................................................98
Варианты к заданию 6.............................................................................102

Задание 7. Проектирование заготовок, изготовляемых методами
порошковой металлургии.................................................................................105

Общие сведения о порошковой металлургии.................................105
Конструкторско‑технологические особенности
горячедеформированных заготовок....................................................113
Конструкторско‑технологические особенности
порошковых заготовок, изготовляемых горячим
динамическим прессованием (ГДП)..................................................114
Варианты к заданию 7.............................................................................118

Глава 3. Проектирование поковок...............................................................121
3.1. Общие сведения о конструктивных и технологических
параметрах заготовок, изготовляемых методами горячей
объемной штамповки.........................................................................................121
3.2. Назначение припусков и допусков на механическую
обработку................................................................................................................127
3.3. Правила выполнения чертежей поковок............................................132

Оглавление
5

Задание 8. Проектирование поковок, штампуемых на молотах........133

Конструкторско‑технологические особенности поковок,
штампуемых на молотах.........................................................................133
Полости и наметки отверстий..............................................................135
Варианты к заданию 8.............................................................................141

Задание 9. Проектирование поковок, штампуемых на
высокоскоростных молотах.............................................................................144

Конструкторско‑технологические особенности поковок...........145
Варианты к заданию 9.............................................................................150

Задание 10. Проектирование поковок, штампуемых
на кривошипных горячештамповочных прессах.....................................152

Конструкторско‑технологические особенности штамповки
на КГШП......................................................................................................152
Назначение уклонов.................................................................................153
Варианты к заданию 10...........................................................................158

Задание 11. Проектирование поковок, штампуемых на
горизонтально‑ковочных машинах...............................................................160

Технологические и конструкторские особенности поковок......161
Варианты к заданию 11...........................................................................169

Задание 12. Проектирование заготовок, изготовляемых
поперечно‑клиновой прокаткой........................................................................... 172

Конструкторско‑технологические особенности заготовок........172
Разработка чертежа прокатываемой заготовки..............................174
Определение размеров заготовки........................................................178
Варианты к заданию 12...........................................................................181

Задание 13. Разработка чертежей кованых поковок..............................183

Конструкторско‑технологические особенности поковок,
изготовляемых свободной ковкой.......................................................183
Назначение припусков и отклонений................................................192
Варианты к заданию 13...........................................................................200

Глава 4. Проектирование литых и сварных заготовок.......................202
4.1. Конструктивные параметры отливок...................................................202

4.1.1. Общие сведения об отливках......................................................202
4.1.2. Назначение допусков и отклонений отливок.......................203
4.1.3. Назначение припусков на обработку.......................................222
4.1.4. Выполнение чертежа отливки.....................................................227

Оглавление
6

4.2. Характеристики отливок и применяемых способов литья..........228
4.3. Технологичность заготовок, изготовляемых литьем
в песчаные формы...............................................................................................231
4.4. Технологические особенности заготовок, получаемых
литьем в оболочковые формы........................................................................239
4.5. Технологические особенности отливок, получаемых
литьем по выплавляемым моделям..............................................................241
4.6. Технологические особенности заготовок, получаемых
литьем в кокиль...................................................................................................244
4.7. Технологические особенности заготовок, получаемых
литьем под давлением........................................................................................247
Задание 14. Проектирование отливок..........................................................257

Последовательность выполнения задания.......................................258
Варианты к заданию 14...........................................................................258

Задание 15. Проектирование сварных и комбинированных
заготовок.................................................................................................................262

Общие сведения.........................................................................................262
Варианты к заданию 15...........................................................................264

Список источников.............................................................................................267

Предисловие

Машиностроение начинается с производства заготовок. В итоге

именно тип заготовок, способ производства, исходные материалы
заготовок определяют качество, надежность, стоимость машины.
В этом плане курс «Проектирование и производство заготовок»
является ключевым в профессиональной подготовке студентов ма‑
шиностроительного профиля.

В настоящее время указанный курс недостаточно обеспечен

учебной литературой. Ситуация осложняется еще и тем, что не су‑
ществует строго выверенной методики проектирования заготовок.
Вопросы такого проектирования сконцентрированы преимуще‑
ственно в специальной литературе по порошковой металлургии,
литейному производству, обработке металлов давлением.

Цель данного учебного пособия — обеспечить студентов до‑

статочной информацией, рекомендациями, необходимыми для
проектирования заготовок. В первой главе практикума рассмотре‑
ны виды заготовок, свойства материалов, области их применения.
Вторая, третья и четвертая главы посвящены проектированию
штамповок, поковок, прессовок и отливок.

Пособие предназначено для организации практических занятий,

курсового и дипломного проектирования. Практикум предполага‑
ет совместное использование учебника «Проектирование и произ‑
водство заготовок в машиностроении» (автор С.С. Клименков)
и рекомендуемой литературы.

Автор выражает признательность рецензентам: доктору техни‑

ческих наук, профессору А.В. Минакову и кандидату технических
наук, доценту О.М. Медведеву, чьи замечания и предложения ока‑
зались весьма ценными и своевременными.

Автор

Глава

1

Виды и материалы заготоВок

1.1. общие сведения

Проектирование машин осуществляется в строгой очередно‑

сти, постадийно:

ˆ эскизное проектирование,
ˆ техническое проектирование;
ˆ разработка рабочей документации;
ˆ изготовление и испытание опытных образцов.
На стадии эскизного проектирования для основных наиболее

трудоемких деталей определяются род материала и вид заготовки,
производятся предварительные технико‑экономические расчеты.

На стадии технического проектирования устанавливаются виды

заготовок и марки материалов основных деталей.

На стадии разработки рабочей документации отрабатываются

рациональные формы и размеры деталей, определяются виды за‑
готовок, уточняются допуски и устанавливается требуемое каче‑
ство поверхности деталей.

Одним из важнейших принципов, применяемых при проекти‑

ровании, является принцип технологичности конструкции. Он
обусловливает такие качества конструкции, которые обеспечива‑
ют возможность изготовления машины в конкретных производ‑
ственных условиях с наименьшими затратами времени, труда, ма‑
териалов при использовании экономически оправданных методов
производства.

Стремясь обеспечить максимальную технологичность деталей,

учитывая при этом предъявляемые к конструкции требования, за‑
висящие от служебного назначения машины, масштабов и серий‑

1.1. Общие сведения
9

ности производства, конструктор уже на ранней стадии проекти‑
рования сталкивается с достаточно сложной проблемой выбора
материала и вида заготовки. Правильное решение этой проблемы
важно, так как удельный вес затрат на материал в стоимости ма‑
шины может изменяться в достаточно большом диапазоне: от 20–
25 % при единичном и мелкосерийном производстве до 65–70 %
при массовом производстве (рис. 1.1).

По традиционной методологии проектирования машин исхо‑

дными данными для выбора материалов деталей являются:

ˆ назначение, условия эксплуатации машины, основные тех‑

нические параметры и заданный ресурс эксплуатации;

ˆ результаты расчета параметров рабочего процесса и основ‑

ных прочностных расчетов;

ˆ данные об ожидаемом распределении напряжений в основ‑

ных наиболее нагруженных элементах конструкции с учетом при‑
нятых коэффициентов запаса.

При отработке конструкции на технологичность конструктор

совместно с технологом должны предусмотреть наиболее целесо‑
образный вид заготовки и способ ее получения.

Рис. 1.1. Изменение доли затрат на исходные материалы в себестоимо‑

сти машины при разных типах ее производства:

Е — единичное; МС — мелкосерийное; С — среднесерийное; КС — крупносе‑
рийное; М — массовое (черным показаны возможные диапазоны изменения

доли затрат)

100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0

E, MC

C

KC

M

Доля в себестоимости, %

Глава 1. виды и материалы заготовок
10

1.2. Виды и характеристики заготовок

Листовые или объемные штамповки — это заготовки, полу‑

чаемые методами холодной обработки металлов давлением.

Поковки штампованные — это заготовки, получаемые мето‑

дами горячей штамповки.

Поковки прокатанные — это заготовки, полученные методами

горячей прокатки.

Поковки кованые — это заготовки, полученные ковкой на мо‑

лотах и прессах.

Порошковые прессовки — это заготовки, полученные метода‑

ми порошковой металлургии.

Литые заготовки (отливки) — это заготовки, получаемые

методами литья.

Сварные и комбинированные заготовки — заготовки штампо‑

сварные, сварно‑литые, сварно‑кованые, сварно‑ковано‑литые.

1.2.1. листовые штамповки

Листовые штамповки могут иметь достаточно сложную пло‑

скую или объемную форму. Изготовление таких заготовок другими
способами обработки невозможно или затруднительно. При мини‑
мальном весе и расходе материала заготовки отличаются прочно‑
стью и жесткостью.

Коэффициент использования материала достигает 0,8–0,95.

Изготовленные чистовой вырубкой заготовки имеют такую точ‑
ность размеров и качество поверхности, что последующая механи‑
ческая обработка зачастую не требуется. Основные показатели
качества листовых штамповок приведены в табл. 1.1.

Отличительной особенностью пластического деформирования

при холодной штамповке является упрочнение металла и возник‑
новение остаточных напряжений в деформированном материале.
Это приводит к существенному изменению свойств деформиро‑
ванного материала по сравнению с исходным. В результате холод‑
ной пластической деформации возрастают прочностные характе‑
ристики (пределы упругости, текучести, прочности) и снижаются
характеристики пластичности (относительное удлинение, ударная

1.2. виды и характеристики заготовок
11

вязкость и др.). Рекристаллизационный отжиг после холодной пла‑
стической деформации в значительной степени восстанавливает
исходные свойства материала.

Таблица 1.1

Основные показатели качества заготовок, 

полученных холодной листовой штамповкой

Способ холодной

листовой штамповки
Размер
Квали‑
тет IT

Шероховатость Rz

или Ra, мкм

Отрезка листов при
толщине, мм:

Линейный
В зоне среза
Ra 1,25–2,5;
в зоне скола
Rz 40–80

до 3
12–13

3–5
14

более 5
14–17

Вырубка при толщине,
мм:

Диаметр
Сталь: Ra 0,63–2,5;
цветные металлы
и сплавы:.
Ra 0,32–0,63

1,5–20
6–9

менее 1,5
6–7

Гибка
Линейный (длина
полок)

12–14 Больше исходной

Вытяжка:

обычная
Диаметр
11–12 Больше исходной

с утонением
Диаметр
7–9
Наружной поверх‑
ности

Толщина
7–11
Ra 0,08–0,32

комбинированная
Наружный диаметр
7–8
Ra 0,08–0,25

Толщина стенки
7–11
Ra 0,08–0,32

Все формообразующие операции сопровождаются упругими

деформациями. Величины упругих деформаций (пружинение) зави‑
сят от большого числа факторов, в том числе от формы и размеров
изделия, и должны учитываться при проектировании изделия.

Неравномерность напряжений деформаций характерна для

всех операций холодной листовой штамповки и является причи‑
ной изменения толщины исходного материала. Необходимо учи‑
тывать, что допуск на толщину исходного листового материала
оказывает влияние на точность и качество изделий. Допуск на тол‑

Глава 1. виды и материалы заготовок
12

щину листового материала должен быть меньше допуска на тол‑
щину стенок изделия.

Изделия, получаемые методами листовой штамповки, отлича‑

ются высокой прочностью и жесткостью при относительно малом
весе. Однако целесообразность применения листовой штамповки
определяется прежде всего серийностью производства, конфигу‑
рацией изделия, свойствами материала.

На материал и конструкцию листоштампованных изделий су‑

щественное влияние оказывают технологические особенности раз‑
делительных и формообразующих операций.

Плоские изделия, получаемые вырубкой‑пробивкой, можно

изготовить из всех материалов, в том числе и неметаллических.
Гнутые и полые изделия целесообразно изготовлять из материалов
со сравнительно малыми пределами текучести, упругости и боль‑
шим относительным удлинением (20–28 %).

Кроме этого, конструкции листоштампованных изделий долж‑

ны отвечать некоторым требованиям общего порядка. Изделия из
листового материала должны быть унифицированы по маркам ма‑
териала и сортаментам, по диаметрам вырубки‑пробивки, углам
и радиусам гибки; конфигурация и размеры изделий должны обе‑
спечивать минимальный расход материала.

При простановке размеров в качестве измерительных баз выби‑

рают поверхности, точность обработки которых наиболее высока.

1.2.2. объемные штамповки

Холодной объемной штамповкой получают заготовки сложной

формы преимущественно малых и средних размеров. Простые
круглые заготовки разделяют на группы по максимальному диа‑
метру, мм:

ˆ очень мелкие до 2;
ˆ мелкие 2–10;
ˆ средние 10–50;
ˆ крупные 50–100;
ˆ очень крупные свыше 100.
Холодной штамповкой получают заготовки валов диаметром

50–200 мм длиной 200–300 мм, заготовки шестерен и фланцев —
диаметром до 200 мм. Массе штучных заготовок достигает 1–10 кг.

1.2. виды и характеристики заготовок
13

Прочность материала холодноштампованных объемных заго‑

товок по сравнению с исходным материалом может возрастать
в 1,6–2,6 раза. Пластичность при этом снижается. Поэтому объ‑
емной холодной штамповке можно подвергать материалы опреде‑
ленного химического состава. Для сталей с содержанием углерода
более 0,45 % в обычной практике холодную объемную штамповку
без особой необходимости не применяют.

Для изготовления заготовок холодной объемной штамповкой

наиболее подходят металлы, обладающие сравнительно низким
пределом текучести, большим относительным удлинением и ма‑
лой твердостью. Перед проведением основных формообразующих
операций исходные заготовки, как правило, подвергают предвари‑
тельной термообработке. При штамповке изделий сложной формы
за несколько переходов дополнительно производят промежуточ‑
ную термообработку.

Холодная объемная штамповка успешно осуществляется только

при использовании эффективного смазывающего материала. Для
углеродистых и низколегированных сталей наибольшее примене‑
ние получили фосфатированные покрытия. Иногда взамен фос‑
фатирования применяют меднение, цинкование или алюминиро‑
вание.

Основные показатели качества заготовок, полученных холод‑

ной объемной штамповкой, приведены в табл. 1.2.

Таблица 1.2

Основные показатели качества заготовок, 

полученных холодной объемной штамповкой

Способ холодной

объемной штамповки
Размер или поверхность
Квали‑
тет, IT

Параметр

шероховатости Ra,

мкм

Выдавливание
цветных сплавов

Диаметр
8–10
—

Длина
12–15
—

Внутренняя поверхность
8–10
До 0,04

Наружная поверхность
12–15
До 0,16

Выдавливание чер‑
ных сплавов

Внутренняя поверхность
8–10
До 0,16

Наружная поверхность
12–15
До 10

Высадка
Поперечный размер
8–9
0,63–2,5

Длина
11–12
0,63–2,5

Глава 1. виды и материалы заготовок
14

Высокие требования к исходным материалам, значительные

усилия деформации, ограничения технологических возможностей
оборудования сужают область применения холодноштампованных
объемных заготовок.

Применение технологических процессов, в которых формоиз‑

менение достигается комбинированием процессов листовой и объ‑
емной штамповки, позволяет уменьшить затраты на материал
и инструмент, количество формоизменяющих операций, величину
контактных давлений, исключить потерю устойчивости заготовки
к складкообразованию при вытяжке. Возможно изготовление изде‑
лий, получение которых только листовой или объемной штамповкой
практически невозможно. При комбинированной штамповке воз‑
можно исключение гальванических покрытий, что улучшает эко‑
логическую чистоту производства. Сочетание операций листовой
и объемной штамповки позволяет дополнительно снизить шерохо‑
ватость поверхности и повысить размерную точность штамповки.

1.2.3. Поковки

Горячей объемной штамповкой получают заготовки ответствен‑

ных деталей. Более 65 % массы всех поковок изготовляют объем‑
ной штамповкой. Этот способ штамповки наиболее эффективен
в массовом, крупносерийном и серийном производстве. Краткая
характеристика основных способов горячей штамповки приведена
в табл. 1.3.

Прокатка позволяет с наименьшими удельными затратами по‑

лучать поковки, которые по размерам максимально приближаются
к готовому изделию. Прокатка обладает более высокими технико‑
экономическими показателями по сравнению с другими способами
обработки металлов: высокой производительностью, низкой себе‑
стоимостью и высоким коэффициентом использования материала.

Краткая характеристика основных способов горячей прокатки

поковок приведена в табл. 1.4.

Кованые поковки получают с помощью простейшего универ‑

сального инструмента путем последовательного применения раз‑
личных приемов и операций. Технологические процессы ковки
отличаются относительной простотой и маневренностью отдель‑
ных операций.