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 материалов, приведены рекомендации по механической обработке резанием современных материалов, предложены способы повышения надежности режущего 
инструмента, включая мелкоразмерный. Рассмотрены методы обработки конструкционных материалов в зависимости от видов обрабатываемых поверхностей. Значительное внимание уделено прогрессивным методам обработки: 
вибрационному и сверхскоростному резанию, электрофизическим и комбинированным методам и т. д. Предложена методика автоматизированного выбора методов обработки поверхностей. 
Первое издание – 2006 г. 
Содержание учебника соответствует курсу лекций, который авторы читают в МГТУ им. Н.Э. Баумана и Ижевском государственном техническом 
университете. Приведенные в книге материалы могут быть полезны слушателям Межотраслевого института повышения квалификации кадров по новым 
направлениям развития техники и технологии МГТУ им. Н.Э. Баумана. 
Для студентов машиностроительных специальностей вузов. Будет полезен инженерно-техническим работникам, специализирующимся в области обработки 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 важной составляющей при изучении студентами машиностроительных
специальностей большинства специальных курсов, и выполнении
ими курсовых и дипломных проектов. Изучение этого курса базируется на знании таких дисциплин, как «Теоретическая механика»,
«Технология конструкционных материалов», «Материаловедение»,
«Сопротивление материалов», «Теплотехника», «Теоретические
основы технологии».
Будучи основным технологическим способом придания деталям окончательной формы и размеров, обработка резанием, несмотря на современные тенденции к более широкому использованию безотходных технологий, еще долго будет оставаться ведущим
технологическим способом изготовления деталей машин, особенно при получении поверхностей малых размеров. Такому положению 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 гибкости и мобильности, а также характеризующегося широким использованием гибких производственных систем и систем автоматизации технологического проектирования. Поэтому основное
внимание в данной книге будет уделено изучению процессов обработки металлов резанием. Причем, учитывая современную тенденцию все более широкого использования материалов с особыми
физико-механическими свойствами (высокопрочные, коррозионностойкие, жаропрочные и жаростойкие стали и сплавы, тугоплавкие
и немагнитные металлы и т. п.) для обеспечения высоких потребительских и эксплуатационных показателей изделий, большое
внимание в учебнике уделено прогрессивным технологическим
методам формообразования деталей машин.

При обработке резанием можно использовать различные способы воздействия на материал удаляемого слоя: механические,
химические, электрические, тепловые, комбинированные. Наиболее распространенной является механическая обработка материалов резанием, заключающаяся в получении новых поверхностей
в результате создания такой деформации срезаемого слоя, которая
приводит к разрушению материала в определенной области. Необходимый 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 наиболее исследованный и вместе с тем универсальный способ. В большинстве отраслей промышленности ее доля доходит до 90...95 %
от всех выполняемых операций по обработке поверхностей деталей машин. В то же время, учитывая, что при резании материалов,
особенно труднообрабатываемых, все большее применение находят электрохимические, электрофизические и комбинированные методы обработки, в данном учебнике им посвящен специальный раздел, который органично связан с дисциплинами, изучающими
различные аспекты проектирования технологических процессов.
Изучение материалов, изложенных в разделе «Методы обработки поверхностей», является важной частью подготовки современного 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 экспертную оценку рукописи, а также коллективу кафедры «Технология машиностроения» Пермского государственного технического
университета и заместителю главного технолога ФГУП МИПП
«Салют» проф. В.А. Горелову за большую работу по ее рецензированию.
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 улучшение книги, будут восприняты авторами с благодарностью и пониманием.

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 использования в жизни. Качественное преобразование, содержащее действие по изменению состояния предмета производства, получило
название «технологический процесс». При этом человек преследует две основные цели: получить изделие, удовлетворяющее
его потребностям, и затратить на это минимум труда, времени
и средств.
Для осуществления технологического процесса человек создает различные средства производства, которые постоянно совершенствуются: от каменного топора до современных высокоавтоматизированных гибких производственных систем. Первой
ступенью развития техники механической обработки, по-видимому, следует считать применение обработанного и приспособленного для выполнения определенных задач инструмента. Следующий
значительный шаг в развитии техники обработки материалов приходится на открытие и использование металлов. Однако промежуток 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 дальнейшего совершенствования технологии механической обработки.
В этих условиях наибольшую известность получили работы
Г. Модсли (1771–1831). В 1798 г. он создал токарный станок с крестовым суппортом. В иностранной литературе широко распространена версия о единоличном изобретении Модсли механизированного суппорта и сменных зубчатых колес. Но подобные
утверждения лишены основания, так как эти механизмы были известны задолго до его рождения. Свидетельством этому являются работы А.К. Нартова (1693–1756), выполненные им в период
1714–1739 гг. и описанные в его рукописной книге «Театрум Махинарум, или Ясное зрелище махин».

Наибольшего прогресса металлообрабатывающее оборудование достигло во второй половине XIX в. в связи с быстрым развитием железнодорожного транспорта, а затем и автомобилестроения
(начало XX в.). Так, в 1861 г. был создан первый токарный автомат, позволяющий обрабатывать даже сферические поверхности,
а в 1922 г. – первое автоматизированное производство автомобильных рам.
Особую значимость для технологии механической обработки
резанием имели работы российских ученых. Выполненные ими
экспериментальные и теоретические исследования по своему научному уровню и оригинальности были не только выдающимися
достижениями того времени, но и сохранили свое значение в настоящее время. Ряд исследований стал классикой теории и практики 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. Зорева, 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 состоянии определенной области срезаемого слоя, т. е. для образования
новых поверхностей необходимо довести материал срезаемого слоя
по определенным плоскостям до разрушения, произведя его упругое и пластическое деформирование. Таким образом, сущность
обработки материалов резанием можно сформулировать следующим образом. Резание – это процесс упругопластического деформирования, доведенный в определенной локализованной области
до разрушения с образованием новых поверхностей.

Раздел I. Основы процесса резания металлов

Механическую обработку резанием можно разделить на обработку 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 формы. Обработка лезвийным инструментом характеризуется снятием стружки с достаточно большим поперечным сечением и, как
правило, при относительно низких скоростях деформации. Абразивная же обработка, напротив, отличается весьма высокими скоростями деформации при крайне малых сечениях среза (происходит
как бы выцарапывание обрабатываемого материала).
Формирование поверхностей при лезвийной обработке производится 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 различных методов обработки резанием, все их можно классифицировать по
определенным кинематическим схемам в соответствии с сообщаемыми режущему инструменту и обрабатываемой заготовке движениями. Закономерности относительного движения инструмента и заготовки без учета протекающих в зоне резания физических явлений,
действующих сил и температур являются предметом изучения кинематики процесса резания. При этом систему станок – приспособление – инструмент – деталь (СПИД) принимают абсолютно жесткой
и не реагирующей на изменение температурного режима.
В процессе обработки резанием происходит перемещение режущего инструмента относительно заготовки, которое называется
движением резания и является векторной суммой двух движений. Первое определяет скорость снятия материала срезаемого
слоя и называется главным движением резания, а второе является вспомогательным, обеспечивающим непрерывное или периодическое врезание режущей кромки инструмента в срезаемый слой
заготовки, и называется движением подачи. Наиболее часто главное движение резания является вращательным, а движение подачи – прямолинейным. Например, при точении, сверлении, фрезеровании главным движением является вращательное, а движением