Материаловедение конструкционных и инструментальных материалов в станкостроении

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ 
КОНСТРУКЦИОННЫХ 
И ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ 
МАТЕРИАЛОВ 
В СТАНКОСТРОЕНИИ

A.M. АДАСКИН

Рекомендовано 
Межрегиональным учебно-методическим советом 
профессионального образования в качестве учебника 
для учебных заведений, реализующих программу 
среднего профессионального образования 
по укрупненной группе специальностей 
15.02.00 «Машиностроение» 
и 22.02.00 «Технологии материалов» 
(протокол № 8 от 29.04.2019)

Москва
ИНФРА-М
2019

УЧЕБНИК

УДК [620.22+67.05](075.32)
ББК 30.3:34.63-5я723
 
А28

Адаскин A.M.
А28 
 
Материаловедение конструкционных и инструментальных материалов в станкостроении : учебник / A.M. Адаскин. — М. : ИНФРА-М, 
2019. — 320 с. — (Среднее профессиональное образование). 

ISBN 978-5-16-015391-9

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 приспособлений. Это материалы 
деталей системы «станок — приспособление — инструмент — 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.
Предназначен для студентов учреждений среднего профессионального образования, обучающихся по укрупненным группам специальностей 15.02.00 «Машиностроение» и 22.02.00 «Технологии материалов».

УДК [620.22+67.05](075.32)
ББК 30.3:34.63-5я723

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

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 978-5-16-015391-9
© 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.
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. В этой части рассмотрена эволюция инструментальных материалов и их влияние на конструкцию станков и 
производительность 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 станочно

Введение

го 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.
Третья часть посвящена выбору материалов и технологий обработки, обеспечивающих достижение необходимых 
свойств материалов, предназначенных для изготовления ответственных деталей.
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–
XXIвек), изменившее и технологию производства, и условия 
эксплуатации станков: цифровое проектирование детали и 
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 

Введение

работоспособность станка) деталей, входящих в централизовано изготовленные модули, или изготавливаемых непосредственно на заводах выпускающих станки.
Учебник предназначен для студентов, обучающихся по 
укрупненной группе специальностей 22.00.00 «Технология материалов», а также рассчитан на специалистов— конструкторов, проектирующих детали иузлы станков, 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

Глава 1. Влияние инструментальных материалов на конструкцию станков...

ное время, нецелесообразна. Повышение производительности 
обработки при этом незначительно, т.к. доля вспомогательного времени обработки детали не велика.
Основные исследования ХХ века в области инструментальных материалов были посвящены созданию новых материалов, обладающих повышенной теплостойкостью и позволяющих, таким образом, производить обработку с высокими скоростями резания.
В начале ХХ века была изобретена первая быстрорежущая 
сталь (типа Р18). Важно, что при этом была разработана технология термической обработки, без которой невозможно реализовать высокие свойства стали. Применение инструмента 
из быстрорежущих сталей позволило повысить скорость резания и производительность обработки в 3…5 раз (см. табл. 1.1).
Следующим важнейшим этапом стала разработка и внедрение в производство твердых сплавов. После десятилетий 
исследований к началу 30-х годов ХХ века были созданы про
Рис. 1.1. Производительность при точении стали в зависимости 
от материала инструмента: 1 — инструментальные стали; 
2 — быстрорежущая сталь; 3 — твердые сплавы