Технология конструкционных материалов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 525 

Кафедра инжиниринга технологического оборудования

Л.В. Седых 
 
 

Технология конструкционных 
материалов 

 

Курс лекций 

Рекомендовано федеральным государственным бюджетным  
образовательным учреждением высшего профессионального 
образования «Московский государственный технологический 
университет «СТАНКИН» в качестве учебного пособия  
для студентов высших учебных заведений, обучающихся  
по направлению «Технологические машины и оборудование» 

Москва  2012 

УДК 621 
 
С28 

Р е ц е н з е н т  
д-р техн. наук, проф. В.А. Трусов 

Седых, Л.В. 
С28  
Технология конструкционных материалов : курс лекций / 
Л.В. Седых. – М. : Изд. Дом МИСиС, 2012. – 170 с. 
ISBN 978-5-87623-603-6 

Курс лекций «Технология конструкционных материалов» составлен в соответствии со структурой технологического процесса изготовления детали: 
от конструкционных материалов и их свойств к технологии получения заготовок, а затем к методам их обработки. Описаны виды и марки материалов, 
наиболее широко используемых в машиностроении, в том числе марки современных инструментальных и композиционных материалов. Рассмотрены 
теоретические основы технологического процесса резания металлов и предложено технологическое оборудование и оснастка. Приведены сравнительные характеристики универсальных станков и современных станков с ЧПУ. 
В частности, представлена теория базирования, без которой невозможно рассматривать ни один технологический процесс обработки детали резанием. 
Курс лекций написан в соответствии с требованиями Федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования. 
Предназначен для студентов, обучающихся по направлению подготовки 
151000 «Технологические машины и оборудование». 

УДК 621 

ISBN 978-5-87623-603-6 
© Седых Л.В, 2012 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Предисловие..............................................................................................7 
1. Конструкционные машиностроительные материалы .......................8 
1.1. Чугуны............................................................................................8 
1.2. Сталь .............................................................................................11 
1.2.1. Классификация сталей .........................................................11 
1.2.2. Основные виды сталей.........................................................12 
1.3. Инструментальные материалы...................................................13 
1.4. Цветные металлы и сплавы ........................................................18 
1.4.1. Цветные металлы............................................................ 18 
1.4.2. Сплавы цветных металлов .............................................. 18 
1.5. Композиционные и неметаллические материалы ....................19 
1.6. Применение конструкционных материалов  
в машиностроении..............................................................................21 
Контрольные вопросы........................................................................22 
2. Технические основы технологии машиностроения ........................24 
2.1. Основные понятия и определения  
технологии машиностроения.............................................................24 
2.1.1. Параметры технологического процесса.......................... 27 
2.1.2. Основные принципы технологической  
классификации деталей............................................................ 32 
2.2. Характер машиностроительного производства........................32 
2.3. Качество продукции....................................................................34 
2.3.1. Показатели качества ....................................................... 34 
2.3.2. Методы определения показателей качества продукции.. 35 
2.3.3. Оценка уровня качества продукции................................ 35 
2.3.4. Качество и экономичность машины................................ 36 
2.4. Базирование и базы в машиностроении ....................................37 
2.4.1. Классификация баз ......................................................... 40 
2.4.2. Выбор баз ....................................................................... 43 
2.5. Точность обработки.....................................................................44 
2.6. Погрешности обработки .............................................................47 
2.7. Погрешности основной кинематической схемы  
обработки – системы СПИД..............................................................47 
2.7.1. Жесткость системы СПИД.............................................. 47 
2.7.2. Причины недостаточной жесткости станка, 
приспособления, режущего инструмента  
и обрабатываемой детали......................................................... 48 

2.7.3. Деформации деталей при закреплении ...........................49 
2.7.4. Погрешности измерений.................................................51 
2.7.5. Размерный износ инструмента........................................52 
2.7.6. Причины возникновения вибраций.................................53 
2.7.7. Тепловые деформации технологической системы ..........54 
2.7.8. Влияние человеческого фактора на точность 
изготовляемых деталей ............................................................55 
2.8. Технологичность конструкции...................................................56 
Контрольные вопросы........................................................................57 
3. Способы изготовления заготовок .....................................................58 
3.1. Описание возможных способов литья.......................................58 
3.1.1. Литье в песчаные формы ................................................58 
3.1.2. Литье в металлические формы (кокиль)..........................60 
3.1.3. Литье по выплавляемым моделям...................................62 
3.1.4. Литье под давлением ......................................................64 
3.1.5. Изготовление отливок центробежным литьем ................65 
3.1.6. Изготовление отливок непрерывным литьем..................67 
3.2. Обработка металлов давлением .................................................68 
3.2.1. История кузнечно-штамповочного производства ...........68 
3.2.2. Классификация процессов обработки давлением............69 
3.2.3. Прокат и его производство .............................................71 
3.2.4. Ковка ..............................................................................80 
3.2.5. Штамповка......................................................................81 
3.2.6. Прессование....................................................................85 
3.2.7. Волочение.......................................................................88 
3.2.8. Формообразование заготовок 
из порошковых материалов......................................................91 
Контрольные вопросы........................................................................93 
4. Сварка и пайка металлов....................................................................94 
4.1. Дуговая сварка .............................................................................94 
4.2. Плазменная сварка.......................................................................97 
4.3. Электрошлаковая сварка.............................................................97 
4.4. Электронно-лучевая сварка........................................................98 
4.5. Лазерная сварка .........................................................................100 
4.6. Газовая сварка............................................................................100 
4.7. Контактная сварка .....................................................................101 
4.8. Наплавка.....................................................................................102 
4.9. Напыление..................................................................................102 

4.10. Пайка.........................................................................................103 
Контрольные вопросы......................................................................103 
5. Основы обработки металлов резанием...........................................104 
5.1. Основные понятия процесса резания.......................................104 
5.2. Движения рабочих органов металлорежущих станков..........105 
5.3. Основные виды обработки металлов резанием ......................107 
5.4. Поверхности и плоскости процесса резания...........................109 
5.5. Режимы резания.........................................................................110 
5.6. Процесс образования стружки .................................................112 
Контрольные вопросы......................................................................114 
6. Металлорежущие станки .................................................................115 
6.1. История металлорежущих станков..........................................115 
6.2. Классификация металлорежущих станков..............................120 
6.3. Методика наладки металлорежущего станка  
на примере токарного станка...........................................................125 
6.4. Токарные станки........................................................................129 
6.4.1. Компоновка токарного станка ...................................... 130 
6.4.2. Приспособления для закрепления заготовок 
на токарных станках .............................................................. 137 
6.4.3. Инструменты для токарной обработки ......................... 140 
6.4.4. Токарные автоматы и полуавтоматы ............................ 141 
6.4.5. Токарно-револьверные станки...................................... 142 
6.4.6. Карусельные станки...................................................... 143 
6.4.7. Токарные станки с ЧПУ................................................ 146 
6.5. Сверлильные и расточные станки............................................151 
6.5.1. Вертикально-сверлильные станки................................. 152 
6.5.2. Радиально-сверлильный станок .................................... 153 
6.5.3. Расточные станки ......................................................... 154 
6.5.4. Конструктивные особенности  
сверлильно-расточных станков с ЧПУ................................... 155 
6.6. Фрезерные станки......................................................................157 
6.7. Шлифовальные станки..............................................................159 
6.7.1. Круглошлифовальные станки ....................................... 160 
6.7.2. Плоскошлифовальные станки....................................... 161 
6.8. Зубообрабатывающие станки...................................................161 
6.8.1. Методы обработки зубчатых колес............................... 162 
6.8.2. Зубодолбежные станки ................................................. 163 
6.8.3. Зубофрезерные станки.................................................. 164 

6.8.4. Зубообрабатывающие станки с ЧПУ.............................164 
6.9. Электрофизические методы обработки...................................165 
6.9.1. Электроискровые станки ..............................................166 
6.9.2. Электроимпульсные станки..........................................166 
6.9.3. Электрохимические станки...........................................167 
6.9.4. Лучевая обработка........................................................167 
6.9.5. Ультразвуковые станки.................................................167 
Контрольные вопросы......................................................................168 
Библиографический список.................................................................169 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Курс «Технология конструкционных материалов» – дисциплина, 
рассматривающая различные способы переработки конструкционных 
материалов начиная с получения заготовки различными способами, такими как литье и обработка давлением, и заканчивая готовой деталью. 
В курсе лекций рассматриваются наиболее широко используемые 
в промышленности методы получения заготовок и механической обработки деталей. 
В разд. 1 подробно рассмотрены виды и марки материалов, наиболее часто используемых в машиностроении, в том числе марки современных инструментальных и композиционных материалов. 
В разд. 2 приведены основные понятия и определения технологии 
машиностроения. В частности, рассмотрена теория базирования, без 
которой невозможно рассматривать ни один технологический процесс обработки детали резанием. 
Разд. 3 посвящен основным, наиболее широко распространенным 
методам получения заготовок, таких как литье в песчаные формы, 
литье в кокиль, литье под давлением, прокатка, штамповка, прессование. 
В разд. 4 предложены различные варианты сварки и пайки. Рассмотрены технологические основы этих методов и предложены их 
основные схемы. 
В разд. 5 и 6 рассмотрены теоретические основы технологического процесса резания металлов и предложено технологическое оборудование и оснастка. Приведены сравнительные характеристики универсальных станков и современных станков с ЧПУ. 
Курс лекций написан в соответствии с требованиями Федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлениям подготовки бакалавриата 
для студентов по направлению подготовки 151000 «Технологические 
машины и оборудование» (квалификация (степень) «бакалавр»), введенных в действие с 16 декабря 2009 г. 

1. КОНСТРУКЦИОННЫЕ 
МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ 

Конструкционными называют материалы, которые применяются для изготовления различных деталей, механизмов и конструкций в 
машиностроении и обладают определенными механическими, физическими и химическими свойствами (рис. 1.1). 

 

Рис. 1.1. Классификация конструкционных материалов 

Черные металлы (стали и чугуны) в машинах занимают по весу 
более 90 %; они сравнительно дешевы, обладают высокой прочностью и жесткостью. Основные недостатки черных металлов – высокая плотность и подверженность многих из них коррозии. 

1.1. Чугуны 

Чугунами называют железоуглеродистые сплавы с содержанием 
углерода от 2 до 4 %. 
Достоинства чугуна: 
1. Высокие литейные качества (жидкотекучесть в расплавленном 
состоянии). 
2. Удовлетворительная прочность (хорошо работает на сжатие). 
Недостатком чугуна является его низкая пластичность. Чугун – 
хрупкий материал, поэтому плохо выдерживает ударные нагрузки. 
Из-за низкой пластичности его не подвергают обработке давлением. 
Из чугуна изготавливают несущие детали – станины, корпусные 
детали, зубчатые колеса и т.п. 

Виды чугунов 

Серый чугун – чугун, в котором углерод находится в свободном 
состоянии в виде пластинчатого графита, распределенного в металлической массе перлита и феррита. 
Излом такого чугуна имеет серый цвет. В структуре присутствует 
графит, количество, форма и размеры которого изменяются в широких пределах. 
Серый чугун является основным литейным материалом в машиностроении. Он также хорошо обрабатывается резанием, обладает 
повышенной износостойкостью. Серый чугун – основной конструкционный материал для изготовления корпусных деталей (корпус редуктора). Хорошие литейные свойства позволяют получать отливки 
сложной конфигурации. 
Обозначение марок серого чугуна: СЧ10, СЧ15, СЧ20, СЧ21, 
СЧ24. Например, цифра 10 обозначает предел прочности при растяжении: σв = 10 кгс/мм2 (100 МПа). 
Корпусные детали металлорежущих станков изготавливают из чугуна марок СЧ15, СЧ20, СЧ21. Для малонагруженных деталей, не 
работающих на износ, – марок от СЧ10 до СЧ20. 
Отливки повышенной прочности, работающие на износ, рекомендуется изготавливать из серого чугуна марок СЧ21–СЧ40 (станины 
станков). 
Для малонагруженных деталей, не работающих на износ, – от 
СЧ10 до СЧ20. 
Высокопрочный чугун – серый чугун, обрабатываемый в расплавленном состоянии присадками магния или церия, что придает графиту шаровидную форму, в результате чего резко уменьшается внутренняя концентрация напряжений. 
Отличается высокими механическими свойствами. 
Из высокопрочного чугуна изготавливают детали, работающие в 
условиях значительных переменных напряжений, например коленчатые валы автомобильных двигателей, арматуру тоннелей метро, канализационные трубы и др. 
Обозначение марки: ВЧ 35-17, где 35 – предел прочности при растяжении: σв = 35 кгс/мм2 (350 МПа), 17 – относительное удлинение: 
δ = 17 %. 
Модифицированный чугун – чугун с добавлением молибдена 
(Мо), никеля (Ni) и др., которые повышают литейные свойства и од

нородность. Обладает особыми свойствами – жаропрочностью, коррозионной стойкостью, возможностью термической обработки. 
Обозначение марки: СМЧ 38-60. Здесь 38 – предел прочности при 
растяжении: σв = 38 кгс/мм2 (380 МПа); 60 – предел прочности при 
изгибе: σв.и = 60 кгс/мм2 (600 МПа). 
Менее прочные модифицированные чугуны применяют для получения сложных относительно тонкостенных деталей, более прочные 
СМЧ – для толстостенных деталей, работающих под нагрузкой. 
Серый антифрикционный чугун обладает замечательным свойством – так называемой антифрикционностью, или «антитрением». 
Используется серый антифрикционный чугун для изготовления 
вкладышей в подшипниках. К сожалению, при этом увеличиваются 
зазоры в подшипниковом узле на 15...40 % по сравнению с бронзовыми вкладышами. Кроме этого, необходима обкатка на холостом ходу. 
Обозначение марок: АЧС-1, АЧВ-1. Буква А – антифрикционный, 
Ч – чугун, С – серый, В – высокопрочный, цифра – порядковый номер. 
Жаростойкий чугун – отливки из этого чугуна эксплуатируются 
при температурах до 1100 °C. Например, ЖЧХ-0,8 содержит 0,8 % 
хрома (Cr); ЖЧЮ-22 содержит 22 % алюминия (Al). 
Белый, или отбеленный, чугун – чугун, в котором весь углерод 
находится в связанном состоянии в виде карбида (Fe3C + перлит). 
Белый чугун получил свое название по матово-белому цвету излома. 
Белый чугун закаливают при отливке. Он характеризуется повышенной твердостью (330...400 НВ), высокой износостойкостью, теплостойкостью и высоким сопротивлением коррозии. Практически не 
поддается обработке режущим инструментом. 
На основе белого чугуна изготавливают другие виды чугунов, в 
частности износостойкие хромистые чугуны марок ИЧХ3, ИЧХ5, 
ИЧХ15 (с содержанием хрома 3, 5, 15 % соответственно). Они используются для изготовления деталей, работающих в условиях интенсивного износа без ударных нагрузок, например направляющих 
станков, деталей шаровых мельниц, тормозных колодок. 
Ковкий чугун – чугун, в котором углерод находится в свободном состоянии в форме хлопьевидного графита, что обеспечивает более высокие механические свойства по сравнению с серым чугуном. Его получают при длительном отжиге (томлении) отливок из белого чугуна. 
Название «ковкий чугун» условно. Ковкий чугун обладает повышенной прочностью, некоторой пластичность и сопротивлением ударным нагрузкам. Однако он не подвергается обработке давлением.