Технология машиностроения. Том 1. Основы технологии машиностроения

УДК 621 (075.8)
ББК 34.5
Т38
Авторы:
В. М. Бурцев, А. С. Васильев, И. Н. Гемба, А. М. Дальский,
О. М. Деев, Р. З. Диланян, А. В. Игнатов, М. С. Камсюк,
В. Л. Киселев, А. И. Кондаков, Р. К. Мещеряков, О. В. Спиридонов,
В. И. Тавров, А. Г. Холодкова, Н. А. Ястребова
Рецензенты:
кафедра «Технология машиностроения» Тульского
государственного университета;
д-р техн. наук, проф. Ю. С. Степанов
T38
         Технология машиностроения : учеб. для вузов : в 2 т. /
[В. М. Бурцев и др.]; под ред. А. М. Дальского, А. И. Кондакова. — 3-е изд., испр. и перераб. — М. : Изд-во МГТУ
им. Н. Э. Баумана, 2011.
ISBN 978-5-7038-3444-2
Т. 1 : Основы технологии машиностроения. — 2011. —
478, [2] с. : ил.
ISBN 978-5-7038-3442-8
Раскрыты основные понятия и положения технологии машиностроения. Всесторонне рассмотрены основные технологические
задачи создания машины, подготовки производства и ее изготовления. Особое внимание уделено вопросам качества. Изложены
основы теории выбора и принятия технологических решений, а
также методика разработки технологических процессов изготовления деталей и сборки. Показаны современные подходы к разработке прогрессивных технологических процессов в условиях единичного и массового производства. Содержание учебника соответствует курсам лекций, читаемым в МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Для студентов машиностроительных специальностей технических вузов и университетов. Может быть полезен работникам промышленности, исследовательских организаций и аспирантам.
УДК 621 (075.8)
ББК 34.5
ISBN 978-5-7038-3442-8 (Т. 1)
© Оформление. Издательство
ISBN 978-5-7038-3444-2
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011
2

ПРЕДИСЛОВИЕ
Существование и прогресс современного общества немыслимы
без применения машин различного функционального назначения,
конструкции которых постоянно совершенствуются. Необходимость
их эффективного изготовления способствовала появлению самостоятельной учебной дисциплины «Технология машиностроения»,
охватывающей заключительные этапы машиностроительного производства — превращение исходных заготовок в детали и сборку
машины. Технология машиностроения базируется на фундаментальных знаниях и передовом производственном опыте. С развитием
технологических методов обработки и реализующего их оборудования, применением современных средств автоматизации и появлением новых методологий технологического проектирования она непрерывно совершенствуется как по содержанию, так и по форме
представления и методике изучения материала.
За десятилетие, прошедшее со дня выхода в свет предыдущего
издания учебника, в технике и технологии произошли изменения,
поэтому потребовалось внесение корректив в его содержание.
Учебник состоит из двух томов: «Основы технологии машиностроения» и «Технология производства машин», материал которых
в совокупности составляет учебную дисциплину «Технология машиностроения» и может быть использован студентами как технологических, так и конструкторских специальностей. Работа с предлагаемым учебником требует от читателя знания основ смежных
технических и технологических дисциплин — технологии конструкционных материалов, материаловедения, основ метрологии, взаимозаменяемости и технических измерений, а также курсов по основам проектирования машин.
Учебник не претендует на исчерпывающее изложение всех современных аспектов технологии изготовления машин. В нем раскрыты основные технологические задачи, связанные с производством
машин общего назначения, и предложены пути их решения. Проблемы, связанные с выпуском специальных машин (самолеты, сельскохозяйственные машины, суда и др.), рассмотрены в учебниках
отраслевых учебных заведений.
Научная составляющая дисциплины «Технология машиностроения» ориентирована на решение проблем обеспечения качества из3

готовления машин в современном автоматизированном производстве. Поэтому в учебнике усилена связь рассматриваемой дисциплины с другими, прежде всего фундаментальными, дисциплинами.
Значительное внимание уделено формированию технологических
решений, анализу и выбору альтернатив, в том числе с использованием современной вычислительной техники.
Основы учебно-методического подхода к изучению дисциплины
«Технология машиностроения», характерного для технологической
школы МВТУ–МГТУ им. Н.Э. Баумана, формировались более ста
лет и в современном виде сложились лишь к середине ХХ в. Выдающаяся роль в этом принадлежит работам профессоров В.М. Кована и В.С. Корсакова, в последующем развитым в трудах профессоров А.М. Дальского, Н.М. Капустина, а также доцентов А.Г. Косиловой, Р.К. Мещерякова, Г.Н. Мельникова, А.Г. Холодковой и других
ученых. Первый том предлагаемого учебника посвящен раскрытию
основных понятий и фундаментальных положений технологии машиностроения с позиций этой технологической школы. Авторы стремились сделать учебник максимально полезным для читателя и учесть
при его создании не только лучшие традиции своей технологической школы, но и современные тенденции развития техники, технологии, производства.
4

ВВЕДЕНИЕ
Машиностроение — важнейшая отрасль промышленности, уровень развития которой в значительной мере определяет эффективность экономики государства и благосостояние общества. Развитие
отечественного машиностроения, а не импорт машин, является единственно правильным направлением прогрессивного развития промышленности в целом.
Конструкции современных машин непрерывно совершенствуются
и усложняются. Повышаются требования к их эксплуатационному
качеству, усложняются условия их эксплуатации. Высока конкуренция на рынке машиностроительной продукции. Обеспечение конкурентоспособности машин является важнейшей проблемой современного отечественного машиностроения.
Основные пути решения этой проблемы:
1) непрерывное повышение эксплуатационного качества и расширение потребительских свойств машин;
2) сокращение длительности разработки конструкций машин, технологической подготовки производства и их изготовления при минимальных затратах и высоком качестве принимаемых и реализующихся при этом решений.
Любое решение, принятое и реализованное при разработке и
производстве машины, следует оценивать лишь с позиций его влияния на эксплуатационное качество машины и характеристики ее
жизненного цикла, объединяющего этапы создания, изготовления
и эксплуатации.
Конструкцию машины, обеспечивающую наилучшие характеристики ее жизненного цикла по сравнению с конструкциями других
машин того же функционального назначения, называют технологичной. Технологичная конструкция обеспечивает прежде всего снижение затрат на разработку, изготовление и эксплуатацию машины,
позволяя применять при этом более совершенное оборудование и
другие средства технологического оснащения. Для создания высокотехнологичных конструкций в настоящее время разрабатывают и
внедряют в производство новые методологии конструкторско-технологического проектирования.
5

При изготовлении машин традиционно обеспечивают производственно-технические показатели качества, важнейшим из которых
является точность. На протяжении ХХ в. точность деталей машин
возросла почти в 2 000 раз. Стало обычным изготовление деталей с
микро- и долемикрометрической точностью. Вместе с тем понятие
«точность» относят не только к характеристикам геометрической формы деталей, но и к иным производственно-техническим показателям качества машины. В широком смысле точность характеризует
воспроизводимость и единообразие свойств изготавливаемых машин.
Число производственно-технических показателей качества машины значительно. В частности, у деталей выделяют следующие показатели: геометрической формы (отклонения размеров, формы, взаимного расположения поверхностей), качества поверхностного слоя
(волнистость, шероховатость, характеристики физико-механических
свойств), объемных свойств материала (характеристики прочности,
твердости и т. д.).
Обеспечение заданных производственно-технических показателей
качества машины во многих случаях затруднительно. Это объясняется действием значительного числа дестабилизирующих технологический процесс (ТП) факторов. Примерами таких факторов являются:
силы резания, вызывающие упругие деформации технологической системы, которая включает в себя оборудование, инструмент, приспособление и обрабатываемую заготовку; прогрессирующий износ режущего инструмента, не только влияющий на изменение характеристик геометрической формы обрабатываемых поверхностей, но и
способствующий увеличению упругих деформаций технологической
системы; тепловые деформации последней и т. д.
Действие каждого фактора вызывает первичную погрешность*
изготовления, например, детали. Совокупное действие всех факторов приводит к возникновению суммарной погрешности изготовления. Ее оценка в ряде случаев затруднительна в связи с взаимным
влиянием рассматриваемых факторов.
Задачей технолога является правильное прогнозирование ожидаемых значений первичных погрешностей и оценка их совокупного влияния на качество изготовления деталей и машины в целом.
Технолог должен это учитывать при проектировании ТП изготовления и разработке необходимых мероприятий по обеспечению их качества. Это возможно, лишь опираясь на научные основы технологии машиностроения, ее основные закономерности, общетехноло* В последние годы в метрологии наметился переход от использования понятия «погрешность» к понятию «неопределенность». Поскольку в настоящее
время такой переход прорабатывается методически, авторы сочли возможным
сохранить в предлагаемом учебнике понятие «погрешность».
6

гические принципы и правила. Причем оценить качество ТП можно уже в ходе его разработки.
Разработка ТП — многоэтапный процесс формирования сложного проектного технологического решения (ТР). На каждом этапе принимают отдельные (частные) ТР, связанные, например, с
выбором необходимых технологических методов изготовления, определением содержания и последовательности операций и т. д. При
проектировании постоянно возникают альтернативы — ситуации,
требующие выбора единственного варианта ТР из множества взаимоисключающих вариантов. Возможна, например, разработка нескольких вариантов ТП изготовления одной и той же детали. Технология машиностроения устанавливает определенные правила выбора (разрешения) технологических альтернатив. Оценку приемлемого
варианта ТП изготовления машины наиболее целесообразно давать
с позиции ее жизненного цикла, или эксплуатационного качества.
Изделие может быть весьма технологичным в производстве, но неудовлетворительно проявлять себя в эксплуатации.
Основным путем сокращения длительности разработки конструкции машины, технологической подготовки производства (ТПП)
и изготовления машины при высоком качестве принимаемых и реализуемых ТР является автоматизация. Современное машиностроительное производство — автоматизированное, в нем широко используется оборудование с числовым программным управлением (ЧПУ)
и средства вычислительной техники для контроля и управления ТП.
Применение вычислительной техники при ТПП и непосредственном производстве открыло новый этап развития технологии машиностроения как науки. Возможности современной вычислительной
техники позволяют формировать сложные ТР при сравнительно малых затратах времени и средств, охватывая практически все функции ТПП. Вместе с тем доказано, что применение средств автоматизации, например систем автоматизированного проектирования ТП
(САПР ТП), дает наибольший эффект, если их пользователи владеют методами решения технологических задач на основе применения общетехнологических принципов и правил. Кроме того, высокая сложность технологических задач, трудность их формализации,
высокий уровень неопределенности используемых при их решении
факторов в ряде случаев существенно ограничивают возможности
средств автоматизации ТПП.
Основы технологии машиностроения охватывают важнейшие этапы разработки ТП изготовления деталей и сборки машин для всех
типов производства. Однако каждое производство (единичное, серийное, массовое) имеет свои технологические особенности. Для
современного машиностроения наиболее характерны единичное и
7

серийное производства с широкой номенклатурой выпускаемой продукции и частой ее сменой (многономенклатурные производства).
Изменилось и массовое производство — во многих случаях оно стало
быстросменным, когда выпуск продукции в значительном объеме
осуществляется в течение относительно небольшого промежутка времени, после чего происходит смена (модификация) продукции. В
производстве каждого типа используют соответствующие ему по уровню специализации оборудование и другие средства технологического оснащения. Современное оборудование с ЧПУ применяют во всех
типах производства. Обработка заготовок на агрегатных станках и
автоматических линиях, управляемых от систем с ЧПУ или компьютеров, характерна для массового производства. Общим для оборудования, а также других средств технологического оснащения, систем автоматизации и управления современного машиностроительного производства является обеспечение его гибкости и мобильности.
Это позволяет производству быстро реагировать на изменяющуюся
экономическую ситуацию, требования рынка и наиболее эффективно использовать имеющиеся ресурсы.
В технологии машиностроения большое влияние уделяется заключительному этапу производства — сборке машины. Важность сборки объясняется тем, что ее результаты в значительной мере определяют и производственно-техническое, и эксплуатационное качество
машины. В основах технологии машиностроения рассматривают как
разработку ТП сборки, так и их автоматизацию; устанавливают связь
этапов изготовления деталей и сборки машин и их общее влияние
на качество машины.
Технология машиностроения как наука и учебная дисциплина
прошла долгий путь развития. Ее фундамент был заложен трудами
русских ученых И.А. Тиме и А.П. Гавриленко, а научные основы,
нашедшие прямое отражение в ней как в учебной дисциплине были
сформированы в исследованиях А.П. Соколовского, В.М. Кована,
В.С. Корсакова, А.А. Маталина, Б.С. Балакшина, Ф.С. Демьянюка,
А.Б. Яхина, Э.А. Сателя, А.И. Каширина, С.П. Митрофанова,
М.П. Новикова, А.В. Подзея, П.И. Ящерицина и многих других ученых. Начиная с 20-х годов ХХ в., учебная дисциплина «Технология
машиностроения» развивалась по многим направлениям, во главе
каждого из которых стояли видные ученые, работники промышленных предприятий и исследовательских учреждений. Научные основы технологии машиностроения не утратили своего значения и в
XXI в., непрерывно обогащаясь и совершенствуясь.
8

1. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ
ПРОЦЕССЫ В МАШИНОСТРОЕНИИ
1.1. ПРЕДМЕТНАЯ ОБЛАСТЬ ТЕХНОЛОГИИ
МАШИНОСТРОЕНИЯ
Машина — это механическое устройство, выполняющее движения для преобразования энергии, материалов и информации в
целях замены или облегчения физического и умственного труда
человека. В зависимости от функционального назначения машины бывают энергетические (генераторы, двигатели электрические,
внутреннего сгорания, газотурбинные и т. д.), технологические (металлорежущие станки, литейные машины, кузнечно-прессовое оборудование, прокатные станы и т. д.), транспортные (автомобили,
самолеты, тракторы, тепловозы и т. д.) и информационные (измерительные, контрольно-управляющие, вычислительные и т. д.).
Совокупность свойств, обусловливающих пригодность машины выполнять требуемые функции в заданном диапазоне изменения условий эксплуатации, называется ее качеством (эксплуатационным качеством). Оно характеризуется системой показателей, установленных действующими стандартами, и формируется
на всех этапах жизненного цикла машины (рис. 1.1).
На этапе маркетинга устанавливают основные технические
требования к идеальной, конкурентоспособной машине, востребованной на рынке и в известной перспективе, а также предполагаемый объем и продолжительность ее выпуска.
При разработке конструкции машины определяют отражаемые в конструкторской документации производственно-технические показатели ее качества и технические требования на изготовление. Эти требования также относятся к идеальной машине, однако они подтверждены необходимыми проектными
расчетами, результатами научно-исследовательских и опытно9

Рис. 1.1. Жизненный цикл машины
конструкторских работ. Машины, при разработке конструкций
которых длительность этих работ и затраты на их проведение
составляют более половины длительности и затрат на разработку, называют наукоемкими. Качество будущей машины стремятся обеспечить выбором рациональных конструктивных схем и
эффективных рабочих процессов, использованием современных
методов расчетов, выбором материалов. При этом применяют
подтвержденные испытаниями оригинальные конструкторские,
а также стандартные и унифицированные решения, выполняют
необходимые расчеты размерных цепей.
В конструкторской документации устанавливают производственно-технические показатели как машины в целом, так и ее
элементов. В частности, для деталей это показатели геометрической формы (отклонения размеров, формы, взаимного расположения поверхностей), качества поверхностного слоя (волнистость, шероховатость, физико-механические свойства), физикомеханических свойств материала (прочность, твердость и т. д.).
Технические требования и производственно-технические показатели качества должны быть обеспечены при изготовлении
машины.
При ТПП машины на основе заданных производственнотехнических показателей с учетом имеющихся ресурсов при10