Технология обработки конструкционных материалов

Допущено Учебно-методическим объединением вузов
по университетскому политехническому образованию
в качестве учебного пособия для студентов высших
учебных заведений,обучающихся
по машиностроительным специальностям

С.Д. Кугультинов,А.К. Ковальчук,
И.И. Портнов

Технология
обработки

материалов
конструкционных

Москва 2010

Издание 3-е,переработанное и дополненное

УДК 621.9:620.2(075.8) 
ББК 34.63:30.3 
К88 
Рецензенты: 
кафедра «Технология машиностроения» Пермского 
государственного технического университета (проф. В.Ф. Макаров); 
проф. В.А. Горелов 
 
Кугультинов С.Д. 
Технология обработки конструкционных материалов : учебник 
для вузов / С. Д. Кугультинов, А. К. Ковальчук, И. И. Портнов. –  
Изд. 3-е, перераб. и доп. – М. : Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 
2010. – 678, [2] с. : ил. 
 
ISBN 978-5-7038-3408-4 

Изложены основные положения теории резания конструкционных мате-
риалов, приведены рекомендации по механической обработке резанием совре-
менных материалов, предложены способы повышения надежности режущего 
инструмента, включая мелкоразмерный. Рассмотрены методы обработки кон-
струкционных материалов в зависимости от видов обрабатываемых поверх-
ностей. Значительное внимание уделено прогрессивным методам обработки: 
вибрационному и сверхскоростному резанию, электрофизическим и комбини-
рованным методам и т. д. Предложена методика автоматизированного выбо-
ра методов обработки поверхностей. 
Первое издание – 2006 г. 
Содержание учебника соответствует курсу лекций, который авторы чи-
тают в МГТУ им. Н.Э. Баумана и Ижевском государственном техническом 
университете. Приведенные в книге материалы могут быть полезны слушате-
лям Межотраслевого института повышения квалификации кадров по новым 
направлениям развития техники и технологии МГТУ им. Н.Э. Баумана. 
Для студентов машиностроительных специальностей вузов. Будет поле-
зен инженерно-техническим работникам, специализирующимся в области об-
работки конструкционных материалов. 

УДК 621.9:620.2(075.8) 
ББК 34.63:30.3 
 
© Кугультинов С.Д., Ковальчук А.К., 
Портнов И.И., 2010, с исправлениями 
© Кугультинов С.Д., Ковальчук А.К., 
Портнов И.И., 2008 
© Оформление. Издательство МГТУ 
ISBN 978-5-7038-3408-4                                им. Н.Э. Баумана, 2010 

К88 

Предисловие

Курс «Технология обработки конструкционных материалов»
является составной частью технологии машиностроения – науки
о технологических процессах производства машин, а также важ-
ной составляющей при изучении студентами машиностроительных
специальностей большинства специальных курсов, и выполнении
ими курсовых и дипломных проектов. Изучение этого курса бази-
руется на знании таких дисциплин, как «Теоретическая механика»,
«Технология конструкционных материалов», «Материаловедение»,
«Сопротивление материалов», «Теплотехника», «Теоретические
основы технологии».
Будучи основным технологическим способом придания дета-
лям окончательной формы и размеров, обработка резанием, не-
смотря на современные тенденции к более широкому использова-
нию безотходных технологий, еще долго будет оставаться ведущим
технологическим способом изготовления деталей машин, особен-
но при получении поверхностей малых размеров. Такому положе-
нию вещей способствует высокая производительность и точность
обработки, широкая универсальность и гибкость процесса, что
обеспечивает преимущество обработки резанием перед другими
способами формообразования. Это особенно существенно для
современного машиностроения, требующего высокой степени гиб-
кости и мобильности, а также характеризующегося широким ис-
пользованием гибких производственных систем и систем автома-
тизации технологического проектирования. Поэтому основное
внимание в данной книге будет уделено изучению процессов обра-
ботки металлов резанием. Причем, учитывая современную тен-
денцию все более широкого использования материалов с особыми
физико-механическими свойствами (высокопрочные, коррозионно-
стойкие, жаропрочные и жаростойкие стали и сплавы, тугоплавкие
и немагнитные металлы и т. п.) для обеспечения высоких потре-
бительских и эксплуатационных показателей изделий, большое
внимание в учебнике уделено прогрессивным технологическим
методам формообразования деталей машин.

При обработке резанием можно использовать различные спо-
собы воздействия на материал удаляемого слоя: механические,
химические, электрические, тепловые, комбинированные. Наибо-
лее распространенной является механическая обработка матери-
алов резанием, заключающаяся в получении новых поверхностей
в результате создания такой деформации срезаемого слоя, которая
приводит к разрушению материала в определенной области. Необ-
ходимый уровень деформации обеспечивают с помощью режущего
инструмента, от рациональной конструкции и геометрии которого во
многом зависят не только производительность и себестоимость
обработки, но и ее качество. Резание представляет собой наибо-
лее исследованный и вместе с тем универсальный способ. В боль-
шинстве отраслей промышленности ее доля доходит до 90...95 %
от всех выполняемых операций по обработке поверхностей дета-
лей машин. В то же время, учитывая, что при резании материалов,
особенно труднообрабатываемых, все большее применение нахо-
дят электрохимические, электрофизические и комбинированные ме-
тоды обработки, в данном учебнике им посвящен специальный раз-
дел, который органично связан с дисциплинами, изучающими
различные аспекты проектирования технологических процессов.
Изучение материалов, изложенных в разделе «Методы обра-
ботки поверхностей», является важной частью подготовки совре-
менного инженера, так как промышленное производство бурно
развивается не только в плане использования, но и применения все
более прогрессивных методов обработки, обеспечивающих снижение 
трудоемкости изготовления и повышение эксплуатационных
характеристик современных машин.
Многолетняя практика показывает, что в современном машиностроении 
не существует универсальных методов, пригодных для
обработки различных материалов в любых условиях. Каждый метод
имеет свою область наиболее рационального использования. Выбор 
того или иного метода обусловлен, с одной стороны, требованиями, 
предъявляемыми к точности и качеству обработанных
поверхностей, а с другой – сочетанием производительности и себестоимости 
обработки. Поэтому практическими задачами изучения 
курса «Технология обработки конструкционных материалов»
являются умение правильно выбрать наиболее рациональный для
конкретных производственных условий метод и грамотно подойти

Предисловие

к назначению режимов обработки, обеспечивая ее максимальную
эффективность.
Авторы выражают глубокую благодарность заведующему кафедрой «
Производство летательных аппаратов и управления качеством 
в машиностроении» СГАУ чл.-кор. РАН В.А. Барвинку
и заведующему кафедрой «Технология приборостроения» МГТУ
им. Н.Э. Баумана д-ру техн. наук, проф. В.Д. Шашурину за экс-
пертную оценку рукописи, а также коллективу кафедры «Техноло-
гия машиностроения» Пермского государственного технического
университета и заместителю главного технолога ФГУП МИПП
«Салют» проф. В.А. Горелову за большую работу по ее рецензи-
рованию.
Авторы выражают благодарность редактору издательства
МГТУ им. Н.Э. Баумана Е.Н. Ставицкой за помощь при работе
над книгой.
Все замечания и пожелания читателей, направленные на улуч-
шение книги, будут восприняты авторами с благодарностью и по-
ниманием.

Предисловие

Введение

В природе крайне мало продуктов и предметов, пригодных
для человека в готовом виде. Это заставляет его затрачивать
труд для качественного изменения последних с целью их исполь-
зования в жизни. Качественное преобразование, содержащее дей-
ствие по изменению состояния предмета производства, получило
название «технологический процесс». При этом человек пресле-
дует две основные цели: получить изделие, удовлетворяющее
его потребностям, и затратить на это минимум труда, времени
и средств.
Для осуществления технологического процесса человек созда-
ет различные средства производства, которые постоянно совер-
шенствуются: от каменного топора до современных высокоавто-
матизированных гибких производственных систем. Первой
ступенью развития техники механической обработки, по-видимо-
му, следует считать применение обработанного и приспособленно-
го для выполнения определенных задач инструмента. Следующий
значительный шаг в развитии техники обработки материалов при-
ходится на открытие и использование металлов. Однако промежу-
ток времени, за который технология обработки деталей машин
достигла сегодняшнего уровня, чрезвычайно велик.
В конце XVIII в. вследствие достаточно быстрого развития
машиностроения сложилась благоприятная обстановка для даль-
нейшего совершенствования технологии механической обработки.
В этих условиях наибольшую известность получили работы
Г. Модсли (1771–1831). В 1798 г. он создал токарный станок с кре-
стовым суппортом. В иностранной литературе широко распростра-
нена версия о единоличном изобретении Модсли механизирован-
ного суппорта и сменных зубчатых колес. Но подобные
утверждения лишены основания, так как эти механизмы были из-
вестны задолго до его рождения. Свидетельством этому являют-
ся работы А.К. Нартова (1693–1756), выполненные им в период
1714–1739 гг. и описанные в его рукописной книге «Театрум Махи-
нарум, или Ясное зрелище махин».

Наибольшего прогресса металлообрабатывающее оборудова-
ние достигло во второй половине XIX в. в связи с быстрым разви-
тием железнодорожного транспорта, а затем и автомобилестроения
(начало XX в.). Так, в 1861 г. был создан первый токарный авто-
мат, позволяющий обрабатывать даже сферические поверхности,
а в 1922 г. – первое автоматизированное производство автомобиль-
ных рам.
Особую значимость для технологии механической обработки
резанием имели работы российских ученых. Выполненные ими
экспериментальные и теоретические исследования по своему на-
учному уровню и оригинальности были не только выдающимися
достижениями того времени, но и сохранили свое значение в на-
стоящее время. Ряд исследований стал классикой теории и прак-
тики обработки материалов резанием. Прежде всего, это работы
И.А. Тиме. Он создал схему процесса стружкообразования, учитывающую 
сдвиговый характер пластического деформирования обрабатываемого 
материала и дал математическое описание этого
процесса, в частности вывел формулы для определения силы резания 
и усадки стружки.
В 1893 г. К.А. Зворыкин вывел основное выражение процесса
стружкообразования, устанавливающее связь между углом сдвига
и условиями контакта стружки с передней поверхностью, которое
с незначительными изменениями использовали до последнего времени. 
Особое место занимает монография А.А. Брикса, посвященная 
изложению результатов теоретических исследований основных 
вопросов механики процесса резания.
Крупный вклад в развитие методов экспериментальных исследований 
процесса резания металлов внес мастер механических мастерских 
Петербургского политехнического института Я.Г. Усачев,
который экспериментально установил ряд важных закономерностей
процесса резания. В частности, он выявил действие нароста на процесс 
стружкообразования, влияние некоторых условий резания на
пластическое деформирование обрабатываемого материала и температуру 
резания.
В СССР большое внимание уделялось не только развитию машиностроения, 
но и решению задач, связанных с применением новых 
конструкционных и инструментальных материалов, внедрением 
новых методов обработки, необходимостью повышения

Введение

производительности обработки. Это привело к значительному расширению 
научно-исследовательских работ в области обработки
материалов резанием.
Благодаря трудам В.Ф. Боброва, Г.И. Грановского, Н.Н. Зоре-
ва, Л.И. Исаева, В.С. Камалова, В.А. Кривоухова, Т.Н. Лоладзе,
В.Н. Подураева, Э.А. Сателя и других ученых были созданы теоретические 
основы процесса резания и прогрессивных методов
обработки.
Эти знания необходимы инженеру-технологу для управления
процессом обработки материалов резанием, а инженеру-конструктору – 
для проектирования новых деталей и конструкций с более
высокими эксплуатационными качествами.

Введение

Раздел I

ОСНОВЫ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ МЕТАЛЛОВ

Гл а в а  1
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Обработкой резанием называется процесс формообразования 
деталей в результате срезания определенного слоя материала,
равного по толщине разнице между соответствующими размерами
заготовки и детали. Этот слой материала называется срезаемым,
или припуском на обработку. После его удаления (в виде стружки) 
получаются поверхности детали заданной формы и размеров
с определенными точностью и качеством.
При обработке резанием может производиться различное физическое 
воздействие на материал срезаемого слоя: механическое,
тепловое, химическое, электрическое. Наиболее распространенным
способом резания является механическая обработка. В этом случае 
отделение срезаемого слоя происходит в процессе внедрения
в обрабатываемую заготовку клинообразной части режущего инструмента, 
движение которого осуществляется приводом станка. В результате 
в зоне контакта режущего клина инструмента и срезаемого
слоя заготовки имеет место сложный процесс пластического деформирования 
и разрушения металла, приводящий к образованию
стружки и отделению ее от заготовки. Еще в прошлом столетии
русскими учеными И.А. Тиме, К.А. Зворыкиным и Я.Г. Усачевым
было установлено, что стружкообразование при обработке резанием 
является разновидностью процесса пластического деформирования, 
происходящего при объемном сложнонапряженном состоя-
нии определенной области срезаемого слоя, т. е. для образования
новых поверхностей необходимо довести материал срезаемого слоя
по определенным плоскостям до разрушения, произведя его упру-
гое и пластическое деформирование. Таким образом, сущность
обработки материалов резанием можно сформулировать следую-
щим образом. Резание – это процесс упругопластического дефор-
мирования, доведенный в определенной локализованной области
до разрушения с образованием новых поверхностей.

Раздел I. Основы процесса резания металлов

Механическую обработку резанием можно разделить на обра-
ботку лезвийным инструментом и абразивную. В первом случае
отделение стружки производится одним или несколькими режущими
лезвиями инструмента заранее заданной формы, а во втором –
огромным числом абразивных зерен различной геометрической фор-
мы. Обработка лезвийным инструментом характеризуется сняти-
ем стружки с достаточно большим поперечным сечением и, как
правило, при относительно низких скоростях деформации. Абразив-
ная же обработка, напротив, отличается весьма высокими скоро-
стями деформации при крайне малых сечениях среза (происходит
как бы выцарапывание обрабатываемого материала).
Формирование поверхностей при лезвийной обработке произво-
дится с помощью режущих инструментов, которые выполняют
работу деформирования и разрушения материалов.

1.1. Кинематика резания

Для удаления срезаемого слоя режущему инструменту и детали
сообщают движения с определенными направлениями и скоростями.
Согласно Г.И. Грановскому, несмотря на большое количество различ-
ных методов обработки резанием, все их можно классифицировать по
определенным кинематическим схемам в соответствии с сообщае-
мыми режущему инструменту и обрабатываемой заготовке движе-
ниями. Закономерности относительного движения инструмента и за-
готовки без учета протекающих в зоне резания физических явлений,
действующих сил и температур являются предметом изучения кине-
матики процесса резания. При этом систему станок – приспособле-
ние – инструмент – деталь (СПИД) принимают абсолютно жесткой
и не реагирующей на изменение температурного режима.
В процессе обработки резанием происходит перемещение ре-
жущего инструмента относительно заготовки, которое называется
движением резания и является векторной суммой двух движе-
ний. Первое определяет скорость снятия материала срезаемого
слоя и называется главным движением резания, а второе явля-
ется вспомогательным, обеспечивающим непрерывное или перио-
дическое врезание режущей кромки инструмента в срезаемый слой
заготовки, и называется движением подачи. Наиболее часто глав-
ное движение резания является вращательным, а движение пода-
чи – прямолинейным. Например, при точении, сверлении, фрезеро-
вании главным движением является вращательное, а движением