Процессы формообразования и инструменты

ПРОЦЕССЫ 
ФОРМООБРАЗОВАНИЯ 
И ИНСТРУМЕНТЫ

Москва
ИНФРА-М
2025

УЧЕБНИК

УДК 672+739(075.8)
ББК 34.5:34.6я73
 
П84

А в т о р ы:

Федоренко М.А., доктор технических наук, старший научный со
трудник, доцент (гл. 1–3);

Бондаренко Ю.А., доктор технических наук, старший научный со
трудник, доцент (гл. 1–3);

Дуюн Т.А., доктор технических наук, доцент (гл. 4–6);
Дуганов В.Я., кандидат технических наук, доцент (гл. 7–9);
Санина Т.М., кандидат технических наук (гл. 10–11)

Р е ц е н з е н т:

Скурятин Н.Ф., доктор технических наук, профессор Белгородско
го государственного аграрного университета имени В.Я. Горина

ISBN 978-5-16-016684-1 (print)
ISBN 978-5-16-109264-4 (online)
© Коллектив авторов, 2024

П84  
Процессы формообразования и инструмен ты : учебник / М.А. Фе
доренко, Ю.А. Бондаренко, Т.А. Дуюн [и др.]. — Москва : ИНФРА-М, 
2025. — 371 с. — (Высшее образование). — DOI 10.12737/1214787.

ISBN 978-5-16-016684-1 (print)
ISBN 978-5-16-109264-4 (online)
Рассмотрены вопросы по горячей обработке материалов: литейное 

производство, обработка металлов давлением, сварочное производство; 
по инструментам формообразования; по обработке материалов резанием, 
а также методами пластического деформирования и с применением электрофизических и электрохимических методов обработки.

Разделы и темы сопровождают большое число расчетов, которые могут 

быть использованы как на практических занятиях, так и при выполнении 
самостоятельных работ.

Соответствует требованиям федеральных государственных образова
тельных стандартов высшего образования последнего поколения.

Учебник предназначен для студентов, изучающих дисциплину «Про
цессы формообразования и инструмен ты». Может быть использован студентами различных специальностей дневной и заочной форм обучения 
по дисциплинам «Процессы и операции формообразования», «Режущий 
инструмент».

УДК 672+739(075.8)

ББК 34.5:34.6я73

Предисловие

На современном этапе развития промышленного производства 
в машиностроении находят все более широкое применение новые 
методы и способы обработки материалов, новые конструкции 
и виды металлорежущего инструмента. Среди различных способов обработки, применяемых в машиностроении, несомненно, 
одним из основных методов получения высокоточных деталей и наиболее перспективным является обработка резанием. 
Большое внимание уделяется вопросам обработки металлов 
методами пластического деформирования, электрофизическим 
и электрохимическим методам обработки. В связи с тем что 
различным отраслям промышленности требуется оборудование 
повышенной точности, возрастает роль чистовой обработки материалов, позволяющей получить изделия требуемой точности 
и шероховатости поверхности с определенными физико-механическими свойствами.
Процессы формообразования представляют собой комплекс 
сложных явлений, которые зависят от физико-механических 
свойств и химического состава обрабатываемого материала, инструмента, оборудования, способа и метода обработки.
Применяемый в настоящее время режущий, абразивный инструмент, а также инструмент для пластического деформирования разнообразен по своим конструктивным и геометрическим 
параметрам, и его использование зависит от многих факторов, 
например, от свойств обрабатываемого материала изделия, материала режущей части инструмента, условий резания, предъявляемых требований к точности и шероховатости обрабатываемой 
поверхности.
Учебник может быть использован студентами вузов специальности 15.05.01 «Проектирование технологических машин и комплексов», специализации: «Проектирование технологических 
машин и комплексов предприятий строительной индустрии» 
и «Проектирование технологических комплексов механосборочных 
производств»; специальности 15.03.05 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств»; специальности 15.03.02 «Технологические машины и оборудование»; специальности 21.05.04 «Горное дело», специализация «Горные машины 
и оборудование», а также студентами различных специальностей 
дневной и заочной форм обучения.

В результате освоения дисциплины обучающийся будет:
знать
 
• основные положения и понятия:
 
– горячей обработки материалов, литейного производства, 
обработки металлов давлением, сварочного производства; 
инструмен тов формообразования;
 
– обработки материалов точением, долблением и строганием; 
сверлением, зенкерованием и развертыванием; фрезерованием;
 
– обработки материалов при резьбо-, зубонарезании, протягивании, шлифовании;
 
– обработки материалов методами пластического деформирования;
 
– электрофизических и электрохимических методов обработки;
уметь
 
• пользоваться источниками научной информации, справочно-поисковыми аппаратами и ресурсами;
 
• выбирать:
 
– оптимальный способ получения заготовки методами горячей 
обработки материалов, литьем, обработкой металлов давлением, сваркой;
 
– оборудование, инструмен ты, технологическую оснастку;
 
• применять требуемые методы обработки при разработке технологических процессов изготовления деталей;
владеть
 
• навыками определения:
 
– режимов резания при различных способах обработки;
 
– конструктивных параметров инструмента;
 
• методами определения основной нормы времени при различных 
операциях механической обработки.
При написании учебника были проанализированы и частично 
использованы материалы из других учебников, справочников 
и публикаций.

Глава 1. 

ГОРЯЧАЯ ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ

1.1. ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

Литейное производство является одним из основных способов 
получения изделий, деталей и заготовок, которые используются 
в различных отраслях промышленности, так как литьем можно получить изделия из различных сплавов, сложной пространственной 
конфигурации. Технологический процесс литья состоит из следующих основных опе раций: изготовление модели, изготовление 
литейной формы; получение расплава; заливка литейной формы 
расплавом; охлаждение от ливки; извлечение отливки из формы; 
удаление литников и зачистка отливки. Отливки подвергают 
в дальнейшем обработке, причем от выбранного способа литья 
зависит объем выполняемых технологических операций механической обработки.
Преимущество литейного производства заключается в следующем:
 
• масса литых изделий может быть любой: от несколь ких граммов 
до тонн;
 
• шероховатость поверхности заготовок в зависимости от выбранного способа литья: от высокой до низкой;
 
• структура поверхности заготовок: различная;
 
• эксплуатационные свойства изделий: любые;
 
• конфигурация литых заготовок близка к конфигурации готовых 
деталей, что позволяет сократить число операций, входящих 
в технологический процесс механической обработки, а в некоторых случаях и исключить механическую обработку;
 
• снижается расход материалов и повышается коэффициент использования материала (отношение массы готовой детали 
к массе заготовки) и т.д.
Основные понятия, используемые в литейном производстве:
 
• формовочная смесь — многокомпонентная смесь материалов, 
состоящая из кварцевого песка, глины, связующих и противопригарных доба вок с добавлением воды;
 
• формовочный материал — природные или искусст венные 
материалы, используемые для приготовления формовоч ных 
и стержневых смесей;

• стержневой ящик — приспособление, имеющее рабочую полость для получения в ней литейного стержня из стержневой 
смеси;
 
• стержень — часть литейной формы, служащая для об разования 
отверстий, полостей внутри отливки. Литейные стержни размещают на опорных поверхностях (жеребейках) литейной формы;
 
• литниковая система — совокупность каналов литейной 
формы для заполнения ее полости расплавленным материалом 
и питания отливки при затвердевании. Литниковая система 
состоит из чаши, стояка, шлакоуловителя, питателя и выпора 
(вертикального кана ла в верхней части литейной формы), 
предназначенного для выпуска воздуха и газов при заливке 
расплава и контроля заполнения рабочей полости литейной 
формы;
 
• прибыль — часть отливки, превышающая ее номи нальные размеры, которая служит для питания жидким матери алом отливок 
в период затвердевания, и необходимая для того, чтобы усадочная раковина не образовывалась в отливке;
 
• литейная опока — приспособление в виде жесткой рамы 
или открытого ящика для удержания формовочной смеси при ее 
уплотнении, транспортировке и при заливке формы расплавом;
 
• литейная модель — приспособление для получения в литейной 
форме рабочей полости для формирования отливки.
В настоящее время для получения литых изделий используется 
большое число способов литья: обыч ные — литье в песчано-глинистые формы и специальные — остальные виды литья.
Главными признаками литья в песчано-глинистые формы является то, что применяется разовая и разъемная литейная форма, 
для изготовления которой используются дисперсные огнеупорные 
материалы, которые упрочняются либо механическими, либо химическими, физическими или комбинированными способами. Отличительной особенностью этого вида литья является то, что заполнение литейной формы распла вом ведется сверху из ковша через 
литниковую систему.
К специальным видам литья относят:
 
• литье в разовые неразъемные литейные формы из дисперсных 
материалов с заполнением формы сверху из ковша через литниковую систему (методы литья по выплавляемым, выжигаемым, 
растворимым, газифицируемым моделям);
 
• литье в полупостоянные или постоянные разъемные формы с заполнением формы сверху из ковша через литниковую систему 
(литье в кокиль, в углеродные (графитовые) формы);

• литье с дополнительным воздействием на расплав при заполнении формы и затвердевании отливки (литье под давлением, 
литье под низким давлением, с противодавлением, вакуумным 
всасыванием, центробежное литье, литье выжиманием, литье 
погружением форм в расплав и др.);
 
• литье под газовым дав лением (автоклавное литье), литье с кристаллизацией под давлением (жидкая штамповка);
 
• непрерывное литье с использованием стационарных и подвижных кристаллизаторов, электрошлаковое литье, литье с последовательным заполнением, литье намораживанием.

1.1.1. Литье в разовые песчаные формы
Сущность литья в песчаные формы — изготовление отливок 
свободной заливкой расплавленного материала в разовую песчаную 
литейную форму, изготовленную при уплотнении формовочной 
смеси. После затвердевания и охлаждения отливки осуществляется 
ее извлечение при разрушении формы.
Для разработки технологического процесса изготовления отливки в качестве базовой информации используется чертеж детали, 
на основании которого исходя из конструктивных особенностей 
детали определяется разъем модели и формы, величина общего 
припуска на механическую обработку, возможности предприятия 
(имеющееся на предприятии оборудование, существующие технологические процессы производства отливок и т.д.). Далее определяются литейные уклоны и производится расчет литниковой 
системы. После чего разрабатывается чертеж отливки с учетом припусков, литейных уклонов, напусков, приливов, галтелей и т.д., который служит основой для чертежей модели и стержневых ящиков, 
по которым изготавливается модельный комплект (рис. 1.1). Размеры модели отличаются от размеров отливки на величину усадки 
(известны три вида линейной, объемной усад ки: свободная; затрудненная; смешанная). Модель делают из двух частей, соединяемых 
по плоскости разъема с помощью на правляющих штырей. Применяемые модели бывают деревянные, чугунные или пластмассовые, 
выбор материала зависит от типа производства. Модель имеет 
знаки — опорные поверхности для стержней. В знаках при формовке делают углубле ния для закрепления стержней. Стержни изготавливают в деревянных или металлических ящиках, сделанных 
из двух половинок. Размеры стержневых ящиков и моделей должны 
быть больше размеров отливки на величину усадки и припусков. 
Для изготовления формы и стержня применяется формовочная 
и стержневая смеси, которые получают из соответствующих компонентов в смесителях.

а

D

d

L

б

в
г

Рис. 1.1. Модельный комплект: 
а — эскиз детали; б — модель; в — стержневой ящик; г — отливка

Последовательность операций изготовления отливки:
 
• на модельную плиту устанавливают модель и опоку;
 
• слоями засыпают и уплотняют формовочную смесь;
 
• опоку пово рачивают, извлекая из нее модель, и получают первую 
полуформу;
 
• изготавливают вторую половинку формы, соблюдая последовательность изготовления первой полуформы (полуформы подаются на сборку сырыми);
 
• стержни получают, используя стержневой ящик;

• после извлечения из стержневого ящика стержни подвергают 
сушке;
 
• полуформы собирают, для чего в нижнюю полуформу устанавливают стержень и закрывают верхней полуформой;
 
• в зазор между стержнем и формой заливают расплавленный металл через литниковую систему (металл плавят одновременно 
с изготовлением формы);
 
• форма с расплавленным металлом выдерживается для  кристаллизации металла и охлаждения до заданной температуры;
 
• отливка выбивается из литейной песчаной формы на выбивных 
установках (вибраторах и др.);
 
• из отливки удаляется стержень и элемен ты литниковой системы;
 
• отливка очищается от пригоревшего и приставшего формовочного материала с применением барабанов механического действия, пескоструйных и дробеструйных аппаратов и др.;
 
• осуществляют контроль качества литья.
Для изготовления форм и стержней используют смеси, приготовленные из формовочных материалов. В качестве исходных материалов применяются песок и глина, а также используют связующие 
вещества, добавки и бывшие в употреблении смеси. Полученная 
смесь должна обладать следующими свойствами: прочность, газопроницаемость, противопригарность, пластичность, податливость, 
по это му ее проверяют на изготовленных об разцах, которые испытывают на лабораторных установках на сжатие — для сырых форм 
и на растяжение — для сухих форм и стержней.
Формовочные пески делят на классы в зависимости от содержания в них глинистой составляющей и примесей (слюды, полевого шпата, каолина, оксида железа, магнезита и т.д.) и на группы — 
в зависимости от размера основной фракции.
Формовочные глины, служащие минеральными связующими 
в смесях, делят по минералогическому составу (каолиновые, бентонитовые, полиминеральные), прочности, огнеупорности и пластичности.
Высокая прочность смеси может быть получена в том случае, 
когда она содержит большое количество глины, но это снижает ее 
газопроницаемость и приводит к образованию пригара на поверхности литых заготовок. Поэтому процентное содер жание глины 
в смесях ограничено, и для обеспечения требуемых свойств используют специальные связующие добавки (органические и неорганические связующие, нерастворимые, растворимые, несмачиваемые 
или смачиваемые водой, или жидкое стекло). Основная характеристика специальных связующих добавок — это удельная прочность при растяжении сухого образца.

1.1.2. Литье в постоянные формы
К способам литья в постоянные формы относят следующие методы литья: литье в кокиль, литье под давлением, центробежное, 
непрерывное литье, литье вакуумным всасыванием, выжиманием, 
методом жидкой прокатки, намораживанием, электрошлаковое 
литье. Эти методы обладают основным преимуществом — многократное использование форм.
Литье в кокиль (кокильное литье, или литье в постоянные 
формы) — литье металла, осуществляемое свободной заливкой 
кокилей. До 50% отливок из алюминиевых и магниевых сплавов 
и более 10% отливок из чугуна получают литьем в кокиль. Получаемая шероховатость поверхности отливок соответствует 
Rz 10…80 мкм, точность отливок в кокилях обыч но соответствует 
5–9-му классам для отливок из цветных сплавов и 7…11 — для отливок из черных сплавов. Точность размеров в двух и более частях 
формы ниже. Точность отливок, полученных в кокиле, по массе 
примерно на один класс выше по сравнению с песчаными формами.
Кокиль представляет собой металлическую литейную форму 
из чугуна СЧ20 и др., применяемых для кокилей мелких и средних 
отливок из алюминиевых, магниевых, медных сплавов, чугуна; 
ВЧ40 и др., применяемых для кокилей мелких, средних и крупных 
отливок из различных чугунов: серого, высокопрочного, ковкого); 
конструкционной, углеродистой и легированной сталей, применяемых для кокилей мелких, средних, крупных и особо крупных отливок из чугуна, стали, алюминиевых, магниевых, медных сплавов; 
цветных сплавов, с естественным или принудительным охлаждением, заполняемую расплавленным металлом под действием гравитационных сил (под действием силы тяжести), которая используется многократно. При изготовлении полых отливок из черных 
сплавов используют разовые стержни, для отливок из цветных 
сплавов можно применять металлические стержни.
Преимущество кокильного литья:
 
• трудоемкость изготовления отливок в кокилях меньше, чем 
при литье в разовые формы;
 
• качество поверхности и точность размеров получаемых отливок 
выше;
 
• общие припуски на обработку назначаются меньшие;
 
• масса отливок от 0,5 кг до 20 т;
 
• возможность многократного применения кокилей до десятков 
тысяч раз, например, при производстве алюминиевых отливок 
малой массы в стальной кокиль;