Обработка резанием полимерных композиционных материалов

 

Московский государственный технический университет  
имени Н.Э. Баумана 

В.М. Ярославцев 
 
Обработка резанием  
полимерных  
композиционных 
материалов 
 
Рекомендовано Учебно-методическим объединением вузов  
по университетскому политехническому образованию  
в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по направлению подготовки дипломированных  
специалистов «Машиностроение» 
 
 

 
 
 

М о с к в а  

Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 

2 0 1 2  

 

УДК 621.91:620.22-419(075.8) 
ББК 34.63 
 Я76 
Рецензенты: Ю.Ф. Назаров, М.А. Комков 

 
Ярославцев В.М. 
  
 
        Обработка резанием полимерных композиционных материалов : учеб. пособие / В.М. Ярославцев. — М. : Изд-во 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012. — 180, [4] с. : ил.  

ISBN 978-5-7038-3587-6 

В учебном пособии представлены основы обработки резанием 
полимерных композиционных материалов (ПКМ). Оно содержит сведения о составе и конструкционных свойствах композиционных материалов (КМ), технологических методах получения заготовок изделий из КМ, физических основах обработки ПКМ резанием, 
технологиях обработки и реновации изделий из ПКМ, инновационных технологиях обработки КМ, а также справочные материалы, необходимые при выборе режимов резания. Особое внимание уделено 
новым и перспективным методам обработки.  
Учебное пособие разработано в полном соответствии с программой дисциплины «Перспективные технологии реновации». 
Для студентов машиностроительных и приборостроительных 
специальностей технических вузов. 
УДК 621.91:620.22-419(075.8) 
ББК 34.63 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ISBN 978-5-7038-3587-6  
 
 
     © МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012 

 Я76 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Перспективы развития новой техники в настоящее время 
связывают с широким применением композиционных материалов (КМ), уникальность свойств которых позволяет во 
многих случаях значительно повысить эксплуатационные 
характеристики конструкций изделий, а также снизить трудоемкость и материалоемкость их изготовления, что способствует росту конкурентоспособности российских товаров на 
мировом рынке. Реализация конструкционных свойств, заложенных в КМ, во многом зависит от степени гарантированного обеспечения качества изделий на этапе их обработки 
резанием. 
В учебном пособии наряду с традиционными методами обработки резанием КМ представлен ряд нетрадиционных высокоэффективных технологий, разработанных в МГТУ (МВТУ) 
им. Н.Э. Баумана. Имеются в виду следующие технологические 
методы: резание с дополнительным технологическим покрытием; метод высокоскоростного резания полимерных КМ (ПКМ); 
метод резания с предразрушением срезаемого слоя; с заморозкой; метод широких срезов; метод резания с целенаправленным 
изменением напряженно-деформированного состояния в зоне 
резания; методы терморезания; метод термомеханической обработки ПКМ и др. В пособии содержатся практические рекомендации по выбору рациональных условий обработки КМ, 
представлен разнообразный по содержанию и большой по объему справочный материал (52 таблицы приложения). Даны общие подходы к решению производственных задач, связанных с 
повышением производительности обработки, обеспечением 
качества изделий, увеличением периода стойкости режущего 
инструмента, реновацией объектов на основе использования 

новых технологических процессов, приведены примеры решения таких задач. 
Материал учебного пособия во многом является обобщением результатов научно-исследовательских, теоретических, 
конструкторских работ, выполненных в МГТУ им. Н.Э. Баумана и внедренных в промышленность по заказу предприятий аэрокосмической и оборонной техники. Представления о 
сущности и технологических возможностях ряда рассмотренных ниже методов обработки ПКМ как инновационных 
изложены в справочном издании «Машиностроение. Энциклопедия. Т. III-3: Технология изготовления деталей машин / 
А.М. Дальский, А.Г. Суслов, Ю.Ф. Назаров и др. М.: Машиностроение, 2000. 840 с.».  
Предлагаемое пособие направлено на улучшение технологической подготовки выпускников МГТУ им. Н.Э. Баумана разного уровня — бакалавров, магистров, специалистов 
по различным направлениям обучения: конструктор, технолог, испытатель, — которым в ближайшем будущем предстоит заниматься модернизацией промышленного производства на основе использования инновационных технологий, в 
том числе и в области обработки КМ. Новизна материала, 
изложенного в учебном пособии, может представлять интерес для аспирантов и работников промышленности, имеющих отношение к изготовлению изделий из КМ. 
Учебное пособие «Обработка резанием полимерных композиционных материалов» предназначено для студентов, обучающихся по специальности «Реновация объектов и средств 
материального производства». Оно может быть использовано 
при самостоятельной работе по изучению дисциплины «Перспективные технологии реновации», при проведении семинарских занятий, выполнении лабораторных работ, домашних 
заданий, курсовых и дипломных проектов, КНИРС. Пособие 
также может быть рекомендовано студентам, обучающимся 
по специальности «Технология ракетных и аэрокосмических 
конструкций из композиционных материалов». 

ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ  
И УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 

АСБ 
— алмаз синтетический (бáллас) 
АСПК — алмаз синтетический поликристаллический  
(карбонадо) 
ГКМ — гибридный композиционный материал 
ДТП 
— дополнительное технологическое покрытие 
КМ 
— композиционный материал 
МШС — метод широких срезов 
ПКМ — полимерный композиционный материал 
СОЖ — смазочно-охлаждающая жидкость 
СТМ — сверхтвердый материал 
ТВЧ 
— токи высокой частоты 
УУКМ — углерод-углеродный композиционный материал 
 
В 
— ширина фрезерования, мм 
D 
— диаметр режущего инструмента, мм 
Е 
— модуль упругости, Па 
h 
— припуск на обработку, мм 
hз 
— допустимый износ по задней поверхности режущей части инструмента, мм 
l 
— глубина сверления 
n 
— частота вращения шпинделя станка, мин–1 
Nэ 
— эффективная мощность, потребляемая при резании, кВт 
Px 
— осевая составляющая силы резания, Н 
Pz 
— главная составляющая силы резания, Н 
r 
— радиус при вершине резца, мм 

Ra 
— среднее арифметическое отклонение профиля 
(параметр шероховатости поверхности), мкм 
Rz 
— высота неровностей профиля по 10 точкам (параметр шероховатости поверхности), мкм 
S 
— подача, мм/об 
S0 
— подача на один оборот шпинделя, мм/об 
Sz 
— подача на один зуб, мм/зуб 
t 
— глубина резания, мм 
T 
— период стойкости режущего инструмента, мин 
v 
— скорость резания, м/с 
z 
— число зубьев инструмента 
α 
— главный задний угол, град 
α1 
— вспомогательный задний угол, град 
γ 
— передний угол, град 
ε 
— относительный сдвиг 
Θ 
— температура, °С 
λ 
— угол наклона главной режущей кромки, град 
ξ 
— относительная линейная деформация 
ρ 
— плотность материала, кг/м3 
ϕ 
— главный угол в плане, град 
ϕ1 
— вспомогательный угол в плане, град 
2ϕ 
— двойной угол в плане, град 
ω 
— угол наклона винтовой канавки, град 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ 

Высокопрочные ПКМ за сравнительно небольшой период 
их освоения и применения зарекомендовали себя в качестве 
перспективных конструкционных материалов для изготовления ответственных изделий машиностроения. В последние 
десятилетия отмечен резко возросший спрос на эти материалы в ряде отраслей промышленности. В отдельных видах 
производства на долю деталей из КМ приходится 20…80 % 
общей массы конструкции. Растущая потребность в КМ и в 
то же время малая изученность процесса резания высокопрочных КМ определяют своевременность и актуальность 
обобщения и широкого применения результатов теоретических исследований и имеющихся практических наработок в 
области создания нетрадиционных высокоэффективных технологий обработки изделий из ПКМ. 
Поиск, разработка, исследование и внедрение наукоемких 
технологий, как правило, были связаны с выпуском изделий 
оборонной промышленности. Большинство таких технологий 
разрабатывались под конкретный заказ, и они имели узкую 
объектную направленность. Однако созданные технологии и 
новые методы обработки ПКМ, имеющие высокие техникоэкономические показатели, могут найти эффективное применение при производстве изделий различного служебного 
назначения. 
Решение выдвинутых в настоящее время задач модернизации в различных сферах деятельности, в том числе в образовании, медицине, производстве товаров широкого потребления, напрямую связано с овладением современными знаниями 

и их дальнейшим развитием, и в первую очередь — знаниями 
технологическими. Технология является одной из базовых 
наук, состояние которой во многом определяет качество жизни человека, его выживаемость как биологического объекта, а 
также сохранность среды обитания. 
В настоящее время в учебной литературе в целом даются 
широкие представления о КМ и методах их первичного формообразования. В то же время при рассмотрении вопросов 
размерной обработки изделий из КМ специалисты ограничиваются изложением традиционных технологических процессов механической обработки резанием.  
Предлагаемое учебное пособие основано на материалах 
лекций по разделу «Обработка изделий из композиционных 
материалов» дисциплины «Перспективные технологии реновации», читаемой студентам МГТУ им. Н.Э. Баумана. В пособии представлены наиболее значимые нетрадиционные 
эффективные технологии и методы размерной обработки 
ПКМ, позволяющие решать комплекс технологических задач 
для обеспечения высоких выходных параметров изделий. 
Знания об инновационных технологиях могут в значительной 
степени способствовать как созданию высокотехнологичных 
разработок, так и их коммерциализации.  
 
 
 
 
 
 
 

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ  
О КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ 

Композиционный материал — это искусственно созданный материал (гетерогенная система), состоящий из двух и 
более разнородных нерастворимых друг в друге и химически 
не реагирующих друг с другом компонентов (фаз), соединенных между собой поверхностными силами. Композиционные 
материалы скомпонованы на основе принципа синергизма 
(взаимопомощи) и по результирующим характеристикам превосходят составляющие их компоненты. Как правило, различие в свойствах компонентов КМ четко выражено. Одним из 
компонентов КМ является матрица, или связующее, другим — 
арматура, или наполнитель. Связующее выполняет функцию 
дисперсной среды, в которой распределен наполнитель. 
Наполнитель упрочняет связующее и обеспечивает заданную 
жесткость. 
Композиционные материалы находят применение в различных отраслях промышленности, таких, как космическая и ракетная техника, авиа-, судо-, автомобилестроение и др. В последние 
десятилетия наблюдается тенденция существенного расширения 
сфер использования КМ, а именно освоение производства новых 
изделий из КМ в химической промышленности, сельскохозяйственном машиностроении, станкостроении, на предприятиях 
медицинского, текстильного, нефтяного, газового и радиологического оборудования, спортинвентаря. Этому в значительной 
степени способствовали мероприятия по конверсии военных отраслей промышленности, а также доступность засекреченных 
ранее технологий изготовления изделий из КМ. 

Повышенный интерес к применению КМ объясняется 
многообразием и уникальностью следующих их конструкционных свойств: 
• высокие удельная прочность (σ/ρ) и жесткость (Е/ρ); 
• низкая плотность (около (1,4…2,1)⋅103 кг/м3); 
• низкая (или высокая) теплопроводность; 
• высокая виброустойчивость (высокий логарифмический 
декремент); 
• высокие электроизоляционные свойства и коррозионная 
стойкость и др. 
Отдельные разновидности КМ могут обеспечивать высокую износостойкость изделия, малый коэффициент трения, 
стойкость к тепловому удару, к воздействию концентрированных источников излучения энергии (высокоэнтальпийные 
материалы), способны подавлять звуковые колебания, поглощать гамма-излучение и выполнять другие функции. 
Основной особенностью КМ является возможность целенаправленного регулирования их свойств, что позволяет создавать конструкции или отдельные их элементы с заданными характеристиками, наиболее полно отвечающими всей 
совокупности условий эксплуатации, например, учитывать 
вид и распределение силовых нагрузок или тепловых полей, 
действие агрессивных сред, направленной радиации или излучений энергии и т. п. 
Существенным является и тот факт, что при формообразовании изделий из КМ изготовление материала и изготовление конструкции совмещены в единый технологический 
процесс, т. е. спроектированная конструкция изготавливается 
одновременно с получением материала, имеющего заданные 
свойства, которые в значительной степени определяются параметрами технологического процесса. 
По типу матрицы различают следующие КМ: 
• с полимерной матрицей; 
• с металлической матрицей;