Технологическое обеспечение качества поверхности и эксплуатационных свойств деталей машин

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ 

ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА 

ПОВЕРХНОСТИ 

И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ 

СВОЙ СТВ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

В.А. ЛЕБЕДЕВ
Г.А. ПРОКОПЕЦ
Ю.В. КОРОЛЬКОВ
А.П. ШИШКИНА

Москва
ИНФРА-М

2024

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

УДК 621.8(075.8)
ББК 34.44я73
 
Л33

А в т о р ы:

Лебедев В.А., кандидат технических наук, профессор, профессор кафедры «Тех
нология машиностроения» Донского государственного технического университета 
(предисловие, гл. 1, 2);

Прокопец Г.А., кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Технология 

машиностроения» Донского государственного технического университета (гл. 3, 4);

Корольков Ю.В., кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология ма
шиностроения» Донского государственного технического университета (гл. 5);

Шишкина А.П., кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология маши
ностроения» Технологического института (филиала) Донского государственного 
технического университета в г. Азове (гл. 4)

Р е ц е н з е н т ы:

Козлов А.М., доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой техно
логии машиностроения Липецкого государственного технического университета;

Болдырев А.И., доктор технических наук, профессор, профессор кафедры техно
логии машиностроения Воронежского государственного технического университета

ISBN 978-5-16-017966-7 (print)
ISBN 978-5-16-110969-4 (online)

©  Лебедев В.А., Прокопец Г.А., 

Корольков Ю.В., Шишкина А.П., 2024

Лебедев В.А.

Л33  
Технологическое обеспечение качества поверхности и эксплуа
тационных свой ств деталей машин : учебное пособие / В.А. Лебедев, 
Г.А. Прокопец, Ю.В. Корольков, А.П. Шишкина. —  Москва : ИНФРА-М, 
2024. — 221 с. —  (Высшее образование). — D
 OI 10.12737/1900534.

ISBN 978-5-16-017966-7 (print)
ISBN 978-5-16-110969-4 (online)
В учебном пособии рассмотрен комплекс вопросов, связанных с обеспечени
ем качества поверхности и эксплуатационных свой ств деталей машин на стадии 
технологической подготовки производства. Показаны роль и значение технологической подготовки производства в обеспечении жизненного цикла изделий. 
Дана характеристика эксплуатационных свой ств деталей машин, раскрыта физическая сущность процессов и явлений, протекающих в поверхностном слое 
деталей в процессе их эксплуатации. Раскрыта взаимосвязь эксплуатационных 
свой ств деталей машин с качеством поверхности. Представлены физико-технологическая сущность способов формирования качества поверхностного слоя 
и методы их реализации. Систематизированы подходы аналитической оценки 
эксплуатационных свой ств деталей и показаны пути автоматизации конструкторско-технологической подготовки производства.

Соответствует требованиям федеральных государственных образователь
ных стандартов высшего образования последнего поколения.

Подготовлено в соответствии с образовательными программами по направ
лению «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных 
производств» и предназначено для студентов вышеуказанного направления, 
а также для инженерно-технических работников, занимающихся вопросами 
технологической подготовки машиностроительных и ремонтно-восстановительных производств.

УДК 621.8(075.8)

ББК 34.44я73

Предисловие

Одними из важнейших проблем современного машиностроения 
являются улучшение качества, повышение надежности и долговечности выпускаемых машин и изделий. Надежность работы машин 
непосредственно связана с качеством поверхностного слоя деталей, которое характеризуется геометрическими и физико-механическими параметрами. От качества поверхностного слоя зависят 
эксплуатационные свой ства —  сопротивление усталости, износостойкость, коррозионная стойкость, сопротивление контакт ной 
усталости и др. Связь характеристик качества поверхностного 
слоя с эксплуатационными свой ствами деталей свидетельствует 
о том, что оптимальная (с точки зрения повышения эксплуатационных свой ств деталей) поверхность должна быть достаточно 
твердой, иметь сжимающие остаточные напряжения, мелкодисперсную структуру, сглаженную форму микронеровностей с большей 
опорной площадью поверхности.
В жизненном цикле изделий машиностроения технологическая 
подготовка производства занимает особое место. Это объясняется 
ее значительной трудоемкостью и сложностью. Сроки подготовки 
производства превышают сроки разработки конструкции изделия 
от 1,8 до 5,0 раза в зависимости от вида и сложности изделий. 
При освоении производства новых машин решаются разнообразные 
задачи —  от проектирования технологических процессов до разработки специальных средств технологического оснащения. Проектирование технологических процессов обработки и контроля деталей 
является одним из наиболее распространенных видов деятельности 
специалиста машиностроительного профиля. При технологическом 
проектировании решаются две основные задачи: обеспечение требуемого качества изделий, получение минимальной себестоимости 
технологического процесса.
Искусство организации машиностроительного и ремонтновосстановительного производства заключается в умении выбрать 
такую последовательность современных технологических процессов (ТП) получения заготовок, изготовления деталей, сборки 
и испытания готовых изделий, а также их ремонта и восстановления в процессе эксплуатации, при которой продолжительность 
всего цикла и общая стоимость производственных и ремонтно-восстановительных работ заданного количества изделий были бы наименьшими.

В связи с этим будущие специалисты в области конструкторскотехнологического обеспечения машиностроительного производства 
должны иметь более широкий кругозор и комплексность знаний, 
для того чтобы эффективно использовать как известные, так 
и новые наукоемкие технологические способы и методы изготовления, ремонта и восстановления изделий с целью обеспечения 
их функцио нального назначения и качества.
Основные разделы, изложенные в учебном пособии, направлены на формирование научного понимания проблем технологии 
машиностроения; физических основ процессов, протекающих 
в поверхностном слое деталей в различных условиях их эксплуатации; физико-технологической сущности механизмов формирования качества поверхности и эксплуатационных свой ств деталей 
при различных способах обработки; подходов к прогнозированию 
эксплуатационных свой ств деталей машин на стадии конструкторско-технологической подготовки производства и путей ее автоматизации.
При подготовке настоящего пособия авторы придерживались 
точки зрения, что расширение конструкторско-технологической 
подготовки специалиста новой формации послужит делу его дальнейшего совершенствования для эффективного использования 
новых знаний как в современном машиностроительном производстве, так и в сфере сервиса и эксплуатации транспортных и технологических машин и оборудования различного назначения.
В основу написания учебного пособия положены результаты 
теоретических и экспериментальных исследований российской 
и зарубежной науки, представленные в трудах ученых А.Г. Суслова, Э.В. Рыжова, В.Ф. Безъязычного, А.М. Дальского, А.М. Сулимы, А.П. Бабичева, В.В. Федорова, М.Е. Попова, А.Г. Схиртладзе, 
И.Д. Ибатуллина и др., а также научные исследования, проведенные 
в этом направлении авторами на кафедре «Технология машиностроения» ДГТУ.
Учебное пособие направлено на формирование компетенций 
в процессе подготовки обучающихся высших учебных заведений, 
необходимых современному технологу и конструктору машиностроительного производства в области изготовления деталей 
машин, их эксплуатации, в том числе диагностики, и ремонта. В результате изучения материала пособия обучающийся должен:
знать
 
• структуру жизненного цикла изделий машиностроения и виды 
систем управления им;

• сущность эксплуатационных свой ств и показателей качества деталей машин;
 
• характеристики качества поверхностного слоя деталей и их 
влияние на эксплуатационные свой ства деталей машин;
 
• способы технологического обеспечения параметров качества изделий и повышения эксплуатационных свой ств деталей машин;
 
• методы оценки и прогнозирования эксплуатационных свой ств 
деталей машин;
 
• основные реновационные технологии продления жизненного 
цикла деталей машин;
 
• алгоритм решения технологической задачи по обеспечению требуемых параметров качества поверхности;
уметь
 
• устанавливать причинно-следственную связь между эксплуатационными свой ствами деталей с качеством поверхности, формируемой в процессе их изготовления;
 
• выявлять основные и наиболее вероятные дефекты изделий, 
возникающие в зависимости от назначения изделия и особенностей условий его эксплуатации;
 
• разрабатывать некоторые технологические процессы реновации;
 
• проектировать технологические процессы исходя из обеспечения требуемых по условиям эксплуатации показателей качества изделий;
владеть
 
• навыками оценки и прогнозирования эксплуатационных свой ств 
деталей машин;
 
• навыками определения совокупности показателей качества поверхности и поверхностного слоя материала детали, обеспечивающей требуемые эксплуатационные свой ства деталей машин;
 
• навыками выбора и обоснования методов технологического 
обеспечения эксплуатационных свой ств деталей машин в соответствии с конструкторской документацией;
 
• навыками разработки технологических процессов изготовления 
и реновации изделий машиностроения с учетом условий эксплуатации.

Глава 1. 

ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ ИЗДЕЛИЙ 
МАШИНОСТРОЕНИЯ

1.1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СОСТАВЛЯЮЩАЯ 
ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА ИЗДЕЛИЯ

Жизненный цикл изделия (ЖЦИ) —  совокупность процессов, выполняемых от момента выявления потребностей общества в определенном изделии до момента удовлетворения этих потребностей 
и утилизации изделия.
Изделием в машиностроении называется предмет производства, 
подлежащий изготовлению на предприятии. Изделием могут быть 
машина, элемент машины и даже отдельная деталь в зависимости 
от того, что является продуктом конечной стадии данного производства. Например, для автомобильного завода изделием является 
автомобиль, для станкостроительного завода —  станок, для инструментального завода —  режущий или мерительный инструмент.
В соответствии с ГОСТ 2.101–2016 [3] устанавливаются следующие виды изделий:
 
• детали;
 
• сборочные единицы (узлы);
 
• комплексы;
 
• комплекты;
 
• агрегаты.
Деталь является изделием или составной частью изделия, изготовленной из однородного по наименованию и марке материала без 
применения сборочных операций (например, валик, винт, корпус, 
зубчатое колесо). Деталь —  первичный сборочный элемент каждой 
машины.
Базовая деталь —  деталь с базовыми поверхностями, выполняющая в сборочном соединении (узле) роль соединительного звена, 
обеспечивающего при сборке соответствующее расположение относительно других деталей (например, корпус редуктора). Применительно к общей сборке изделий, когда основными сборочными 
элементами являются уже собранные сборочные соединения, одно 
из этих соединений, удовлетворяющее изложенному выше требованию (сформулированному для базовой детали), называется базовым сборочным соединением (базовым узлом).

Сборочной единицей (узлом) называется изделие, составные 
части которого подлежат соединению на предприятии-изготовителе или его структурном подразделении (цехе) сборочными операциями, такими как простое соединение деталей, соединение деталей их запрессовкой, свинчиванием, сваркой, пайкой, клейкой, 
склеиванием и т.д. (например, станок, редуктор, сварной корпус, 
коробка скоростей, ротор турбины, шпиндельный узел).
Характерным признаком сборочной единицы с технологической точки зрения является возможность ее сборки обособленно 
от других элемен    тов изделия в целом (машины). Сборочная единица в зависимости от конструкции может состоять либо из отдельных деталей, либо из сборочных единиц низшего порядка.
Комплексом называются два и более специфицированных изделия, не соединенных на предприятии-изготовителе сборочными 
операциями, но предназначенных для выполнения взаимосвязанных эксплуатационных функций (например, автоматическая 
линия, станок с ЧПУ с управляющими панелями). В комплекс 
кроме изделий, выполняющих основные функции, могут входить детали, сборочные единицы и комплекты, предназначенные 
для выполнения вспомогательных функций, например, детали 
и сборочные единицы, предназначенные для монтажа комплекса 
на месте его эксплуатации.
Комплект представляет собой два и более изделий, не соединенных на предприятии-изготовителе сборочными операциями 
и представляющих собой набор изделий, имеющих общее эксплуатационное назначение вспомогательного характера, например, 
комплекты запасных частей, инструмен тов, измерительной аппаратуры, упаковочной тары.
Агрегат —  сборочная единица, обладающая полной взаимозаменяемостью, возможностью сборки отдельно от других составных 
частей изделия (или изделия в целом) и способностью выполнять 
определенную функцию в изделии или самостоятельно (например, 
двигатель).
Жизненный цикл машиностроительных изделий (ЖЦИ) включает ряд этапов, начиная от зарождения идеи нового изделия до его 
утилизации по окончании срока использования. Основные этапы 
жизненного цикла машиностроительного изделия представлены 
на рис. 1.1. К ним относятся этапы проектирования, технологической подготовки производства (ТПП), собственно производства, 
реализации продукции, эксплуатации, реновации и, наконец, утилизации (в число этапов жизненного цикла могут также входить 
маркетинг, закупки материалов и комплектующих, предоставление 

услуг, упаковка и хранение, монтаж и ввод в эксплуатацию). Рассмотрим содержание основных этапов ЖЦИ для изделий машиностроения.

Изучение рынка

Научно-исследовательские, опытно-конструкторские и технологические работы, проектирование изделия

Технологическая подготовка производства

Производство 
изделия

Эксплуатация 
и реновация изделия

Маркетинг

Проектирование

Испытание

Функционирование

Полная утилизация

Изготовление опытного 
изделия

Промышленное производство

Научно-исследовательские работы (НИР) и конструкторскотехнологическая доработка

Капитальный ремонт и частичная утилизация отдельных 
деталей и сборочных единиц

Конструирование
ТПП

Научно-исследовательские 
работы (НИР) 

Опытно-конструкторские 
и технологические работы
 (ОК и ТР)

Рис. 1.1. Жизненный цикл машиностроительного изделия

На этапе проектирования выполняются проектные процедуры — 
формирование принципиального решения, разработка геометрических моделей и чертежей, расчеты, моделирование процессов, 
оптимизация и т.п.
На этапе подготовки производства проектируются заготовки деталей, разрабатываются маршрутные и операционные технологии 
изготовления деталей, проектируются технологические процессы 
сборки и монтажа изделий, технологические операции контроля 
и технологические инструкции для испытаний собранных изделий 
и их узлов.
На этапе производства осуществляются календарное и оперативное планирование, приобретение материалов и комплектующих 
с их входным контролем, изготавливаются заготовки для деталей, 
производятся их обработка различными методами, сборка деталей 
в узлы и готовые изделия, осуществляются испытания, производится итоговый контроль и многое другое.
На постпроизводственных этапах выполняются консервация, 
упаковка, транспортировка, монтаж у потребителя, эксплуатация, 
обслуживание, ремонт и восстановление, утилизация.
На всех этапах жизненного цикла имеются свои целевые установки. При этом участники жизненного цикла стремятся достичь 
поставленных целей с максимальной эффективностью. На этапах 
проектирования, ТПП и производства нужно обеспечить выполнение требований, предъявляемых к производимому изделию, 
при заданной степени надежности изделия и минимизации материальных и временны х затрат, что необходимо для достижения 
успеха в конкурентной борьбе в условиях рыночной экономики. 
Понятие эффективности охватывает не только снижение себестоимости продукции и сокращение сроков проектирования и производства, но и обеспечение удобства освоения и снижения затрат 
на будущую эксплуатацию изделий. Особую важность требования 
удобства эксплуатации имеют для сложной техники, например 
в таких отраслях, как авиа- или автомобилестроение.
Значительное место в жизненном цикле изделия, а именно его 
становлении, принадлежит технологии машиностроения, которая 
включает в себя производство заготовок, изготовление деталей, 
сборку, контроль и испытание готовых изделий, а также их ремонт 
и восстановление в процессе эксплуатации (рис. 1.2).
Чем раньше в этом цикле будут задействованы технологии, тем 
выше эффективность и конкурентоспособность изделий машиностроения. Еще на предварительной стадии маркетинга и проработки 
технологи могут оценить конкурентоспособность технологического 

процесса, по которому предполагается выпуск изделия. Проведение НИР и опытно-конструкторских работ без учета технологических аспектов практически неэффективно, так как себестоимость, 
а следовательно, и конкурентоспособность изделий определяются 
их технологической себестоимостью. Поэтому на ранних стадиях 
проектирования изделий должна проводиться тщательная проработка их технологичности.

Исходные материалы

Детали

Заготовки, полученные в заготовительном 
производстве

Литейное 
производство

Сборочные единицы 
n-го порядка

Сборочные единицы j-го порядка

Сборочные единицы i-го порядка

Изделие

Реноизделие

Кузнечноштамповочное 
производство

Заготовки 
из проката

Технологический 
процесс производства заготовок

Технологический 
процесс изготовления деталей

Технологический 
процесс ремонта 
и восстановления изделия и его деталей

Технологический 
процесс сборки, 
контроля и испытаний

Рис. 1.2. Технологическая структура машиностроительных изделий

Под технологичностью конструкции изделия понимается гарантированная собираемость, обеспечивающая его работоспособность, 
при достижении необходимой при этом точности входящих в него 
деталей технически и экономически обоснованными методами.