Технология конструкционных материалов. Производство заготовок

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ  
МАТЕРИАЛОВ 
ПРОИЗВОДСТВО ЗАГОТОВОК 
 
Учебник 
Под редакцией М. М. Радкевича 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2023 

УДК 669.01 
ББК 34.2 
Т38 
 
Авторы: 
Алексеев А. Г., Барон Ю. М., Коротких М. Т., Медко В. С.,  
Никифоров В. И., Радкевич М. М., Ушомирская Л. А. 
 
Р е ц е н з е н т ы: 
д. т. н., профессор (Федеральное государственное бюджетное образовательное 
учреждение высшего образования «Балтийский государственный технический 
университет ÄВОЕНМЕХ³ им. Д. Ф. Устинова», г. Санкт-Петербург)  
В. Д. Васильков; 
д. т. н., профессор (ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский политехнический  
университет Петра Великого», г. Санкт-Петербург) А. М. Золотов 
 
 
Т38   
Технология конструкционных материалов. Производство заготовок : учебник / [Алексеев А. Г. и др.] ; под ред. М. М. Радкевича. - 
Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 516 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1210-0 
 
Рассмотрены машиностроительные материалы и их свойства, техно-
логические методы получения заготовок литьем, обработкой давлением, 
сваркой и методами порошковой металлургии. Приведены методы обра-
ботки заготовок резанием, электрохимическими и электрофизическими 
способами; оборудование и другая технологическая оснастка, используе-
мая для реализации технологических методов получения и обработки заго-
товок. 
Для студентов машиностроительных и металлургических направле-
ний подготовки. 
 
УДК 669.01 
ББК 34.2 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1210-0 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
 

Введение  ....................................................................................................................................................................  7 
Глава 1. Основные понятия и термины, используемые в дисциплине 
«Технология конструкционных материалов» ...........................................................................................  9 
1.1. 
Продукция, её состав и элементы  
............................................................................................................ …9 
1.2. 
Производственный и технологический процессы ..................................................................................... 10 
1.2.1. 
Производственный процесс .............................................................................................................. 10 
1.2.2. 
Технологический процесс и его структура .................................................................................. ..12 
1.3. 
Точность, качество поверхности ................................................................................................................. 13 
1.4. 
Технологические методы обработки и их классификация .................................................................... ..17 
1.5. 
Технико-экономические показатели технологических операций 
............................................................ 20 
1.6. 
Типы производства 
........................................................................................................................................ 22 
Глава 2. Материалы, их свойства и области применения 
............................................................................. 
.25 
2.1. 
Внутреннее строение и свойства металлов ................................................................................................ 25 
2.1.1. 
Атомно-кристаллическое строение металлов 
................................................................................. 25 
2.1.2. 
Понятие о строении сплавов 
............................................................................................................. 30 
2.1.3. 
Связь между свойствами и диаграммой состояния сплава ........................................................ ..32 
2.2. 
Деформация и механические свойства материалов  ................................................................................. 
33 
2.2.1. 
Нагрузки, напряжения и деформации ............................................................................................. 33 
2.2.2. 
Влияние пластической деформации на свойства металлов  ......................................................... 35 
2.2.3. 
Механические свойства 
..................................................................................................................... 37 
2.2.4. 
Понятие о конструктивной прочности материалов ....................................................................... 42 
2.3. 
Диаграмма состояния железо - углерод (цементит)  ................................................................................ 46 
2.4. 
Термическая и химико-термическая обработка  
........................................................................................ 48 
2.4.1. 
Основные положения ........................................................................................................................ 48 
2.4.2. 
Отжиг и нормализация стали  
.......................................................................................................... 
 50 
2.4.3. 
Закалка и отпуск стали ...................................................................................................................... 51 
2.4.4. 
Термомеханическая обработка стали .............................................................................................. 54 
2.4.5. 
Химико-термическая обработка стали  ........................................................................................... 56 
2.5. 
Стали 
............................................................................................................................................................... 60 
2.5.1. 
Классификация сталей и их маркировка ......................................................................................... 60 
2.5.2. 
Конструкционные стали 
.................................................................................................................... 61 
2.5.3. 
Рессорно-пружинные стали  ............................................................................................................. 65 
2.5.4. 
Шарикоподшипниковые стали  
........................................................................................................ 65 
2.5.5. 
Автоматные стали  ............................................................................................................................ 
 66 
2.5.6. 
Инструментальные стали .................................................................................................................. 66 
2.5.7. 
Стали и сплавы с особыми свойствами  
.......................................................................................... 68 
2.6. 
Чугуны ............................................................................................................................................................ 73 
2.7. 
Медь и ее сплавы  
.......................................................................................................................................... 75 
2.7.1. 
Свойства меди .................................................................................................................................... 75 
2.7.2. 
Медные сплавы  ................................................................................................................................  75 
2.8. 
Алюминий и его сплавы ............................................................................................................................... 77 
2.9. 
Титан и его сплавы  
......................................................................................................................................  80 

Оглавление 
2.10. 
Магний и его сплавы  ................................................................................................................................. 
81 
2.11. 
Антифрикционные (подшипниковые) сплавы  ....................................................................................... 
83 
2.12. 
Пластические массы  .................................................................................................................................. 
84 
2.12.1. 
Классификация, строение и свойства пластмасс .................................................................... 
….84 
2.12.2. 
Покрытия из пластмасс ................................................................................................................... 
99 
2.12.3. 
Изготовление деталей из пластмасс ............................................................................................ 
100 
2.13. 
Клеи из синтетических материалов ..................................................................................................... 
...102 
2.14. 
Композиционные материалы 
................................................................................................................... 
103 
2.15. 
Резина и резинотехнические изделия  .................................................................................................... 
106 
2.16. 
Лакокрасочные материалы ...................................................................................................................... 
110 
2.16.1. 
Виды лакокрасочных материалов  
............................................................................................... 
110 
2.16.2. 
Технологический процесс окраски  ............................................................................................. 
112 
Глава 3. Технологические методы литейного производства  ...................................................................... 
118 
3.1. 
Физические основы и классификация методов формообразования заготовок литьём ....................... 
118 
3.1.1. 
Литьё в разовые песчано-глинистые формы ............................................................................. 
...119 
3.1.2. 
Специальные способы литья .......................................................................................................... 
130 
3.2. 
Методы получения жидкого металла 
........................................................................................................ 
138 
3.3. 
Заливка, выбивка форм и очистка отливок ........................................................................................... 
...140 
3.4. 
Литейные свойства сплавов ....................................................................................................................... 
141 
3.5. 
Контроль качества и исправление дефектов отливок .......................................................................... 
...145 
3.6. 
Основы конструирования отливок ............................................................................................................ 
147 
3.6.1. 
Требования к внешним контурам отливок 
.................................................................................... 
148 
3.6.2. 
Требования к внутренним полостям отливок 
............................................................................... 
150 
3.6.3. 
Выбор толщины стенок и способа их сопряжения  .................................................................. 
...152 
3.7. 
Выбор метода изготовления отливки  
....................................................................................................... 
156 
3.8. 
Экология литейного производства  ........................................................................................................... 
160 
Глава 4. Технологические методы обработки металлов давлением .......................................................... 
162 
4.1. 
Физические основы методов обработки металлов давлением  
.............................................................. 
162 
4.2. 
Характеристика методов обработки металлов давлением  .................................................................... 
169 
4.3. 
Прокатка ....................................................................................................................................................... 
169 
4.4. 
Прессование и волочение ........................................................................................................................... 
173 
4.5. 
Ковка 
............................................................................................................................................................. 
175 
4.6. 
Объёмная штамповка 
.................................................................................................................................. 
181 
4.6.1. 
Горячая штамповка 
.......................................................................................................................... 
181 
4.6.2. 
Холодная объёмная штамповка 
...................................................................................................... 
186 
4.7. 
Листовая штамповка  .................................................................................................................................. 
188 
4.7.1. 
Традиционные методы листовой штамповки ............................................................................... 
188 
4.7.2. 
Специальные методы листовой штамповки ................................................................................. 
193 
4.8. 
Ротационное деформирование  
.................................................................................................................. 
195 
4.9. 
Технологические методы получения изделий из порошковых материалов  
..................................... 
.. 198 
Глава 5. Технологические методы сварочного производства  ................................................................... 
 200 
5.1. 
Физические основы и классификация методов сварки 
........................................................................... 
200 
5.2. 
Сварка давлением  
...................................................................................................................................... 
 201 
5.3. 
Методы сварки плавлением  ...................................................................................................................... 
207 
5.3.1. 
Дуговая сварка  
................................................................................................................................. 
207 
5.3.2. 
Газовая сварка .................................................................................................................................. 
211 
5.3.3. 
Плазменная, электронно-лучевая и лазерная сварка ................................................................... 
213 
5.3.4. 
Электрошлаковая сварка ................................................................................................................. 
215 
5.4. 
Сварные соединения и методы контроля их качества  ........................................................................ 
...216 

Оглавление 
5
5.5. 
Особенности сварки различных материалов 
............................................................................................ 
218 
5.6. 
Пайка, наплавка, металлизация ................................................................................................................. 
222 
Глава 6. Методы обработки резанием лезвийными инструментами 
....................................................... 
. 224 
6.1. 
Физические основы обработки заготовок резанием ............................................................................. 
..225 
6.1.1. 
Элементы процесса резания и лезвия режущего инструмента  
................................................ 
..225 
6.1.2. 
Образование стружки и сопутствующие явления  ..................................................................... 
..231 
6.1.3. 
Силы и работа при резании 
............................................................................................................. 
235 
6.1.4. 
Тепловые явления ............................................................................................................................ 
238 
6.1.5. 
Износ и период стойкости режущего инструмента ................................................................... 
..241 
6.1.6. 
Расчёт и назначение режима резания .......................................................................................... 
..244 
6.2. 
Инструментальные материалы .................................................................................................................. 
246 
6.2.1. 
Требования к инструментальным материалам  .......................................................................... 
..246 
6.2.2. 
Классификация инструментальных материалов .......................................................................... 
247 
6.2.3. 
Области рационального использования различных инструментальных материалов  ............ 
 252 
6.3. 
Общие сведения о металлообрабатывающих станках .......................................................................... 
..254 
6.3.1. 
Классификации металлообрабатывающих станков  .................................................................... 
254 
6.3.2. 
Классификация движений на станках  
......................................................................................... 
 .258 
6.3.3. 
Структура металлообрабатывающих станков  ............................................................................. 
259 
6.4. 
Технологические методы лезвийной обработки резанием 
................................................................... 
..261 
6.4.1. 
Обработка заготовок на станках токарной группы  ................................................................... 
..261 
6.4.2. 
Обработка заготовок на фрезерных станках  
.............................................................................. 
..273 
6.4.3. 
Обработка заготовок на строгальных и долбёжных станках  ................................................... 
..283 
6.4.4. 
Обработка заготовок на станках сверлильно-расточной группы  ............................................ 
..290 
6.4.5. 
Обработка заготовок на протяжных станках ................................................................................ 
302 
6.4.6. 
Методы нарезания резьбы  
.............................................................................................................. 
306 
6.4.7. 
Методы нарезания зубчатых колёс лезвийными инструментами .............................................. 
313 
6.5. 
Пути повышения производительности обработки резанием  .............................................................. 
..323 
6.5.1.  Трудоёмкость и основное время на технологических операциях резанием ............................ 
..323 
6.5.2. 
Пути сокращения основного времени и непроизводительных затрат времени  
....................... 
325 
6.6. 
Комбинированные методы обработки лезвийным инструментом ........................................................ 
333 
6.6.1. 
Вибрационное резание .................................................................................................................... 
334 
6.6.2. 
Резание с опережающим пластическим деформированием  
..................................................... 
..335 
6.6.3. 
Обработка резанием сталей и сплавов в нагретом состоянии .................................................. 
..336 
Глава 7. Обработка резанием абразивными инструментами 
.................................................................... 
. 339 
7.1. 
Физические основы и классификация абразивных методов обработки ............................................. 
..339 
7.2. 
Методы абразивной обработки жёсткими инструментами .................................................................. 
..345 
7.2.1. 
Особенности абразивной обработки жёсткими инструментами  ............................................... 
345 
7.2.2. 
Шлифование абразивными кругами  ............................................................................................. 
347 
7.2.3. 
Хонингование  .................................................................................................................................. 
367 
7.2.4. 
Суперфиниширование ..................................................................................................................... 
369 
7.2.5. 
Доводка  ............................................................................................................................................ 
373 
7.3. 
Методы абразивной обработки эластичными инструментами .............................................................. 
377 
7.3.1. 
Особенности абразивной обработки эластичными инструментами  ....................................... 
..377 
7.3.2. 
Шлифование абразивными лентами .............................................................................................. 
378 
7.3.3. 
Обработка эластичными кругами, щётками и стержнями  ....................................................... 
..382 
7.4. 
Методы обработки свободным абразивом ............................................................................................... 
388 
7.4.1. 
Галтовка  ........................................................................................................................................... 
389 
7.4.2. 
Центробежная абразивная обработка ............................................................................................ 
390 
7.4.3. 
Обработка в винтовых роторах ...................................................................................................... 
391 
7.4.4. 
Вибрационная абразивная обработка  .......................................................................................... 
 392 
7.4.5. 
Центробежно-ротационная абразивная обработка  ..................................................................... 
395 
7.4.6. 
Шпиндельная абразивная обработка  ............................................................................................ 
396 

Оглавление 
7.4.7. 
Шпиндельная обработка в уплотнённом потоке абразивной среды  
..................................... 
…397 
7.4.8. 
Турбоабразивная обработка 
............................................................................................................ 
398 
7.4.9. 
Струйная абразивная обработка  
.................................................................................................... 
398 
7.4.10. 
Гидроабразивная обработка ......................................................................................................... 
399 
7.4.11. 
Экструзионная абразивная обработка  ........................................................................................ 
402 
7.4.12. 
Магнитно-абразивная обработка ................................................................................................. 
404 
Глава 8. Электроэрозионные методы обработки ........................................................................................ 
.. 410 
8.1. 
Физические основы электроэрозионной обработки  
........................................................................... 
…410 
8.2. 
Технико-экономические характеристики электроэрозионной обработки  
........................................ 
...420 
8.3. 
Области применения и технологические схемы электроэрозионной обработки  
................................ 
423 
8.4. 
Оборудование для электроэрозионной обработки .................................................................................. 
428 
Глава 9. Ультразвуковые методы обработки ................................................................................................ 
 432 
9.1. 
Физические основы и классификация методов ультразвуковой обработки 
..................................... 
…432 
9.2. 
Ультразвуковая абразивная обработка ..................................................................................................... 
434 
9.3. 
Использование УЗК для интенсификации других технологических методов ................................. 
…439 
9.4. 
Ультразвуковая отделочно-упрочняющая обработка ............................................................................. 
441 
9.5. 
Термическая обработка с ультразвуком ................................................................................................... 
443 
9.6. 
Ультразвуковая очистка поверхностей  
.................................................................................................... 
443 
9.7. 
Методы пайки и лужения с ультразвуком  
............................................................................................... 
444 
Глава 10. Методы обработки потоками высокоэнергетических частиц  
.................................................. 
446 
10.1. 
Физические основы обработки потоками высокоэнергетических частиц  
..................................... 
…446 
10.2. 
Методы обработки потоками высокоэнергетических частиц 
.......................................................... 
…450 
10.2.1. 
Электронно-лучевая обработка .................................................................................................... 
450 
10.2.2. 
Светолучевая обработка ................................................................................................................ 
454 
10.2.3. 
Ионно-вакуумная обработка 
......................................................................................................... 
458 
10.2.4. 
Плазменная обработка  
.................................................................................................................. 
461 
10.3. 
Нанесение покрытий с использованием потоков высокоэнергетических частиц  ............................ 
462 
10.3.1. 
Ионно-вакуумные конденсационные методы нанесения покрытий .................................... 
…463 
10.3.2. 
Газотермический метод нанесения покрытий ............................................................................ 
471 
Глава 11. Химические и электрохимические методы обработки ............................................................... 
473 
11.1. 
Химические методы обработки  .............................................................................................................. 
473 
11.1.1. 
Химическое травление .................................................................................................................. 
474 
11.1.2. 
Химико-механическая обработка  
................................................................................................ 
478 
11.1.3. 
Химические методы нанесения покрытий  ................................................................................. 
480 
11.2. 
Электрохимические методы обработки  
................................................................................................. 
482 
11.2.1. 
Физико-химические основы электрохимической обработки  
................................................... 
482 
11.2.2. 
Классификация электрохимических методов обработки .......................................................... 
484 
11.2.3. 
Электрохимическая размерная обработка 
................................................................................... 
486 
11.2.4. 
Электрохимическая отделочная обработка 
................................................................................. 
500 
11.2.5. 
Электрохимическое нанесение покрытий  
.................................................................................. 
503 
Список литературы…………………………………………………………………………………………….. 512 

Введение
Технология конструкционных материалов - учебная дисциплина, предметом изучения которой являются технологические методы получения заготовок и их обработки.
Технологический метод реализуется в рамках определенной технологической системы, 
под которой понимают совокупность материальных элементов, обеспечивающих достижение поставленной цели. Таким образом, объектами, изучаемыми в «Технологии
конструкционных материалов», являются: технологические методы получения и обработки заготовок, оборудование, инструмент, приспособления и их характеристики. 
«Технология конструкционных материалов» является общепрофессиональной
учебной дисциплиной, входящей в базовую часть профессионального цикла учебных 
планов для большинства направлений подготовки бакалавров и специальностей образовательных областей, относящихся к технике и технологиям. Это определяет её важную роль в подготовке выпускников вузов технической направленности. Дисциплина
«Технология конструкционных материалов» дает выпускникам: 
- компетентность в области машиностроительных материалов, их характеристик и
областей применения, технологических методов получения и обработки заготовок, 
используемого с этими целями технологического оснащения; 
- знания машиностроительных материалов и их свойств; технологических методов 
получения заготовок литьем, обработкой давлением, сваркой и методами порошковой металлургии; методов обработки заготовок резанием, электрохимическими и 
электрофизическими способами; оборудования и другой технологической 
оснастки, используемой для реализации технологических методов получения и обработки заготовок; 
- умения осуществлять выбор технологических методов получения и обработки заготовок в зависимости от условий процесса получения предмета труда. 

Введение 
Базой изучения технологических методов являются физико-химические основы 
процессов получения и обработки заготовок. Это позволяет прогнозировать формирование у выпускника вуза способностей к самостоятельному овладению новыми знаниями и умениями в области технологии конструкционных материалов с использованием
современных компьютерных и информационных технологий. 
Первая глава учебника содержит основные термины и понятия, используемые в
дисциплине «Технология конструкционных материалов». Остальные главы построены
так, чтобы изучение технологических методов происходило последовательно: от материалов и их свойств к получению заготовок, а затем к методам их обработки. Большое
количество иллюстраций позволяет облегчить изучение дисциплины «Технология конструкционных материалов». 

Глава 1. Основные понятия  
и термины,  
используемые  
в дисциплине  
«Технология  
конструкционных 
материалов» 
1.1. Продукция, её состав и элементы 
 
Деятельность металлообрабатывающих предприятий направлена на получение дохода путём изготовления той или иной промышленной продукции. 
Продукция. Под продукцией понимают результат процесса трудовой деятельности, 
обладающий полезными свойствами, полученный в определённом месте, за определённый интервал времени и предназначенный для использования потребителями в целях 
удовлетворения их потребностей как общественного, так и личного характера. Продукция машиностроительного предприятия состоит из разнообразных изделий, выпускаемых в заданном количестве и требуемого качества. 
Изделием называют любой предмет или набор предметов производства, подлежащих изготовлению на предприятии. Изделиями металлообрабатывающих отраслей
промышленности являются машины различного назначения, агрегаты, приборы, механизмы и отдельные детали. Большинство изделий состоит из сборочных единиц, которые, в свою очередь, собирают (свинчивают, сваривают, склеивают и т. д.) из отдельных деталей. 
Номенклатура изделий. Этим термином обозначают перечень наименований изделий, отличающихся конструкцией или размерами и подлежащих изготовлению
в определённый календарный промежуток времени. 

Глава 1. Основные понятия и термины
Программа выпуска - количество изделий одного наименования, планируемое
к производству в определённый календарный промежуток времени. 
Деталь. Это первичная сборочная единица, изготовленная из одного материала без
применения сборочных операций. Деталь характеризуется комплексом свойств, 
к числу которых относятся: свойства материала, конструкция, размеры, точность размеров и формы, качество поверхностей, себестоимость. 
Заготовка - представляет собой предмет труда, из которого изменением формы, 
размеров и свойств материала или его поверхностей изготавливают деталь. Термин «заготовка» правильно использовать на всём протяжении её превращения в деталь. Термин «деталь» правильно применять к предмету производства, поступающему 
на сборку. 
Припуском называют материал, предназначенный для удаления или пластического 
перемещения в процессе превращения заготовки в деталь. 
Партия заготовок. Так называют заготовки одного наименования и типоразмера, 
единовременно запускаемые в обработку. 
Размер партии заготовок. Количество заготовок в партии называют размером 
партии. 
1.2. 
Производственный  
и технологический процессы 
 
1.2.1. Производственный процесс 
Производственным процессом называют совокупность работ, направленных на
превращение исходных материалов в готовую продукцию. Исходными материалами в 
машиностроении могут быть природные материалы, металлы и другие конструкционные материалы, готовые детали либо их полуфабрикаты, готовые собранные узлы (модули) конечной продукции. 
Производственный процесс составляют работы, которые могут быть непосредственно задействованы в превращениях исходных материалов в готовую продукцию, и 
сопутствующие работы, без которых производство не может осуществляться (рис. 1.1).
На конкретном предприятии не всегда осуществляется полный перечень непосредственных работ. Чаще эти работы выполняются поэтапно на разных специализированных предприятиях, между которыми заключаются договоры о кооперации. 
Содержание большей части сопутствующих работ понятно из их названий.
К учебной дисциплине «Технология конструкционных материалов» более близкими 
являются такие виды работ, как подготовка производства, конструкторское и технологическое сопровождение изготовления изделий. 
Подготовка производства начинается с момента получения конструкторской документации на изделие, запланированное к производству. Деталировочные и сборочные чертежи изделия передаются в службу главного технолога, где разрабатывают
технологические процессы изготовления специальных (не имеющихся в продаже) деталей, технологические процессы изготовления заготовок, технологические процессы