Процессы механической и физико-технической обработки материалов

 
 
 
 
 
 
 
А. Д. Росляков, Л. С. Курманова, С. А. Петухов 
 
 
 
 
 
 
 
ПРОЦЕССЫ МЕХАНИЧЕСКОЙ  
И ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКОЙ  
ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ 
 
 
 
 
 
Допущено Федеральным агентством железнодорожного транспорта  
в качестве учебного пособия для студентов 
вузов железнодорожного транспорта 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2025 

 
 
УДК 621.9:629.488 
ББК  34.63+39.22 
 
Р75 
 
 
 
Рецензент: 
доктор технических наук, профессор ПИШ двигателестроения  
и специальной техники «Сердце Урала» Южно-Уральского  
государственного университета (НИУ), Челябинск  
Лазарев Евгений Анатольевич 
 
 
 
 
Росляков, А. Д.  
Р75   
Процессы механической и физико-технической обработки материалов : учебное пособие / А. Д. Росляков, Л. С. Курманова, С. А. Петухов. – 
Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2025. – 200 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-2393-9 
 
Рассмотрены методы механической и физико-технической обработки. 
Приведены сведения по теории резания материалов. Рассмотрены методы 
расчета режимов резания, физико-химические и тепловые процессы при 
обработке. Более подробно рассматривается физическая сущность технологических приемов. Тематика материалов издания соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по специализации «Технология 
производства и ремонта подвижного состава». 
Для студентов вузов железнодорожного транспорта. Может быть полезно для инженерно-технических работников предприятий по производству и ремонту подвижного состава железных дорог. 
 
УДК 621.9:629.488 
                                                                                                          ББК 34.63+39.22 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-2393-9 
” Росляков А. Д., Курманова Л. С., Петухов С. А., 2025 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2025 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2025 
 
 

МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ 
 
Механическая обработка материалов является частным случаем такого раздела физики, как механика. Механика (греч. – mechanike – искусство построения машин) – раздел физики, наука, изучающая движение материальных тел и 
взаимодействие между ними; при этом движением в механике называют изменение во времени взаимного положения тел или их частей в пространстве. 
Основные положения механики в полной мере относятся к процессам механической обработки материалов. 
Способ обработки материалов определяется видом энергии подводимой в 
зону обработки (механической, электрической и др.). Соответственно, различают механическую, электроэрозионную, электрохимическую, лазерную и др. виды обработки [1].  
 
1.1 Классификация и виды обработки материалов 
 
Механическая обработка представляет собой процесс снятия стружки путем внедрения в поверхностный слой обрабатываемой заготовки режущего 
клина инструмента, который двигается под действием сил привода станка. Механическую обработку подразделяют на лезвийную и абразивную. 
Лезвийная обработка осуществляется одним или несколькими режущими 
клиньями, имеющими правильную геометрическую форму. Абразивная обработка осуществляется большим количеством абразивных зерен, имеющих неправильную геометрическую форму.  
Для осуществления процесса резания при механической обработке необходимо два движения: главное и вспомогательное. Главное движение определяет 
скорость снятия материала с заготовки и имеет наибольшую скорость; вспомогательное движение или движение подачи обеспечивает непрерывность врезания режущего инструмента в срезаемый слой заготовки. 
Процесс резания представляет собой совокупность физико-химических явлений, в которую входят кинематика процесса резания, пластические деформации и разрушения в зоне стружкообразования, напряженное состояние инструмента и заготовки, трение, тепловые, химические и др. явления, протекающие 
на контактных площадках режущего инструмента.  
Все они вместе взятые тесно связаны между собой и образуют единую систему резания. Структурная схема процесса резания определяет взаимосвязь 
между входными и выходными параметрами процесса, которые связаны между 
собой процессом резания (рис. 1.1).  
 

 
 
 
 
Рис. 1.1. Структурная схема процесса резания 
 
Входные параметры характеризуют систему СПИД – станок, приспособление, инструмент, деталь. Их можно разделить на 2 группы. Первая характеризует заготовку, параметры которой задаются конструктором (деталь ДТ – ее материал и размеры) и технологом (способ получения заготовки, припуск, точность). Вторая группа характеризует станок СТ, его параметры, схему обработки СХ, инструмент ИН, режимы резания РЖ, приспособление ПР, технологическую среду СР.  
Выходные параметры определяются как результат воздействия процесса 
резания на заготовку (они определяют ее эксплуатационные характеристики: 
точность ТЧ, качество поверхностного слоя КП (шероховатость, наклеп)) и на 
инструмент (его стойкость СИ, прочность ПИ), а также характеризуют производительность Пр и экономичность Эк процесса резания.  
Процесс резания связывает между собой входные и выходные параметры. 
Непрерывное развитие производства машин предъявляет новые, более высокие требования к технологии машиностроения вообще и методам изготовления и ремонта деталей в частности. В большинстве случаев это заставляет поновому, в значительной степени формализованно, с широким применением новых математических методов ставить и решать технологические задачи. При 
этом важная роль отводится оптимальному сочетанию методов обработки и их 
последовательности для достижения наиболее эффективных результатов [1].  
Совершенствование и создание новых методов обработки является одной 
из важнейших задач, без спешного решения которой немыслимо и совершенствование технологии машиностроения в целом. Применение прогрессивных 
методов обработки в технологии стало ареной соперничества передовых стран 
мира. Создание новых методов обработки и их широкое применение – национальная задача каждой страны, решение которой определяет темпы ускорения 
научно-технического прогресса, уровень производства и место страны в систе

 
 
ме мирового сообщества. С точки зрения эффективности производства совершенствование и создание новых методов обработки в сравнении с другими 
направлениями развития отрасли дает наиболее высокий экономический эффект. В частности, он в 3…4 раза выше, чем эффект от реализации разработок в 
области автоматизации.  
По степени влияния на уровень производства новые методов обработки и 
технологии вызывают наиболее рациональные изменения, приводя к его революционным преобразованиям.  
К настоящему времени в мировой практике металлообработки разработано 
большое количество методов обработки деталей. По своей сущности методы 
обработки усложнились. Интенсивность протекания процессов разрушения, 
деформирования, преобразования материала деталей значительно возросла.  
В разработке и совершенствовании методов обработки имеет место тенденция 
одновременного воздействия на обрабатываемые заготовки и детали механических нагрузок и химических веществ, теплового или магнитного полей, электрической и лучевой энергии, энергии элементарных частиц и т. д. в различном 
их сочетании. 
Все большее внимание уделяется развитию и совершенствованию методов 
обработки со съёмом относительно небольших слоев металла и создание на поверхности и в поверхностном слое необходимых физико-механических свойств 
и шероховатости. Это объясняется непрерывным совершенствованием методов 
получения заготовок, уменьшением припусков на механическую обработку, ростом требований к точности и необходимостью повышения качества и эксплуатационных свойств деталей и изделий, применением в машиностроении новых 
конструкционных материалов.  
Многообразие разработанных и применяемых в технологии машиностроения методов обработки, необходимость решения вопросов автоматизации технологического проектирования ставит задачу систематизации имеющихся в 
этой области сведений. Известно, что одни и те же детали могут быть обработаны по различным технологическим схемам, при многовариантном сочетании 
методов обработки.  
Дальнейшее бессистемное рассмотрение методов обработки затрудняет их 
изучение и рациональное использование специалистами предприятий, проектнотехнологических организаций и студентами вузов. В связи с этим представляет 
интерес систематизация и схематизация существующих методов обработки, выявление общих характерных признаков и классификация их на этой основе в соответствующие группы и классы. Такое построение значительно упрощает изучение и использование методов обработки, полнее выявляет их взаимосвязь и 
возможности совершенствования и развития. Классификация методов обработки 
создает предпосылки для их формализации и алгоритмизации, что является важным условием автоматизации технологического проектирования. Кроме того, 
разработав основные принципы построения и развития методов обработки, можно перейти от описательного метода изложения и изучения методов обработки к 
изучению методологии, основ их разработки.  

 
 
Классификация методов обработки  
Под методом обработки следует понимать комплекс условий, характеризующих взаимодействие обрабатывающей среды или инструмента и обрабатываемой заготовки (детали), используемых для решения одной или совокупности 
технологических задач: изменения формы, размеров и взаимного расположения 
элементов детали, состояния и свойств ее материала, поверхности и поверхностного слоя. Метод обработки определяется видом затрачиваемой энергии 
(механической, химической, электрической, тепловой и т. д.), классом производительности и сущностью процесса формообразования (например, со съемом 
металла или пластическим деформированием), типом применяемого инструмента или обрабатывающей среды и их характеристикой (например, металлический лезвийный – резец, фреза, сверло; абразивный круг, брусок, гранулированный абразив, дробь и т. д.), кинематикой процесса и его схемой.  
Изменение одного из перечисленных факторов вызывает изменение содержания и названия метода обработки. Существует также определение метода  
обработки как логического множества физических и кинематических параметров – элементов управляемого воздействия на обрабатываемую заготовку (деталь) с решением одной или совокупности технологических задач – изменения 
формы, размеров и взаимного расположения элементов детали, состояния и 
свойств ее материала, поверхности и поверхностного слоя.  
Классификация методов обработки может осуществляться по ряду признаков: по виду применяемой энергии, производительности формообразования, 
виду применяемого инструмента, оборудования, физической сущности процесса обработки, по технологическому назначению и др. Наиболее всеобъемлющей 
является классификация методов обработки по видам затрачиваемой энергии и 
производительности формообразования. 
 
Классификация методов обработки по виду затрачиваемой энергии 
По виду затрачиваемой энергии различают методы: механической обработки (М), химической (Х), электрической (Э), термической (Т), лучевой (Л), магнитной (Мг), акустической (Ак), комбинированные методы (К).   
Методы механической обработки характеризуются использованием механических нагрузок на материал обрабатываемых деталей с целью его деформирования или разрушения, придания требуемой формы, размеров, физикомеханических свойств и шероховатости поверхности. К ним относятся методы, 
использующие процессы резания, микрорезания металлическим лезвийным и 
абразивным инструментом, 
пластического 
деформирования, 
штамповкивырубки и т. п.  
Методы химической обработки используют энергию химических реакций 
для воздействия на материал обрабатываемых деталей с целью формоизменения 
или придания его поверхностному слою определенных свойств. К ним относятся, например, контурное травление (называемое также химическим фрезерованием), безразмерное травление (с целью очистки от окалины и коррозии) и др.  

 
 
Методы электрической обработки предусматривают затраты электрической энергии непосредственно на технологические цели путем подвода ее в зону обработки без промежуточного превращения в другие виды энергии. К ним 
относится группа электрофизических методов обработки, состоящая из электроимпульсной и электроискровой (Эимп и Эис).  
Методы термической обработки характеризуются использованием изменения температуры с целью влияния на свойства материала заготовки и ее размеры. При общем рассмотрении методов термической обработки следует учитывать воздействие как высоких температур (воздействие тепла), так и низких 
(обработка холодом). Указанные методы обработки используются преимущественно для изменения физико-механических свойств материала деталей (различные виды термической обработки: закалка, отжиг, отпуск, термостарение 
нагревом или охлаждением и др.). Однако в ряде случаев, учитывая физические 
свойства материалов, их применяют и для изменения размеров деталей (например, при выполнении сборочных работ нагревают и охлаждают детали для 
обеспечения неподвижных соединений).  
Методы лучевой обработки основаны на разрушении, съеме материала заготовки путем воздействия на него концентрированными световыми, электронными или ионными лучами. Лучевая энергия непосредственно в зоне обработки 
преобразуется в тепло, вызывая испарение материала и обеспечивая получение 
отверстий и щелей весьма малых размеров, пригонку, сварку и другие виды обработки.  
Методы магнитной обработки характеризуются использованием энергии 
магнитного поля для воздействия на состояние материала обрабатываемой заготовки. Этот метод обработки основан на взаимодействии магнитного поля с 
электронными полями атомов кристаллов и может использоваться для изменении формы, размеров и свойств материала обрабатываемой детали. Одним из 
примеров может служить штамповка в магнитном поле. Метод пока не имеет 
широкого распространения.  
Методы акустической обработки предусматривают воздействия упругих 
волн акустического происхождения на состояние, структуру материала и его 
свойства. К настоящему времени наибольшее распространение получают методы обработки, использующие высокочастотный спектр колебаний (ультразвуковые). Однако не исключена возможность применения и низкочастотного спектра колебаний (до 100 Гц) для этих целей.  
Одним из известных методов можно назвать вибрационную стабилизирующую обработку (вибростарение). 
Среди рассмотренных групп методов в «чистом виде» наиболее широко 
используются методы механической и термической обработки. Значительную 
группу составляют методы, основанные на воздействии на обрабатываемые детали двух и более видов энергии и относящиеся к комбинированным. 
Методы механохимической обработки (МХ) предусматривают одновременное протекание химических процессов и механического воздействия на материал детали (например, притирка, полирование с применением ПАВ).  

 
 
Методы механомагнитной обработки (ММг) используют механическую 
обработку деталей ферромагнитными или абразивными порошками в магнитном поле, например, магнитно-абразивное полирование (МАП).  
Механоакустическая обработка (МАк) предусматривает одновременное 
деформирование обрабатываемого материала и воздействие акустических волн 
на его структуру. При механомагнитной и механоакустической обработке имеет 
место использование соответственно магнитного поля или звуковых волн для 
изменения состояния структуры обрабатываемого материала и его деформирования или разрушения в этом состоянии.  
Механотермическая (МТ) и термомеханическая обработка основана на одновременном или последовательном воздействии на материал заготовки нагрева 
(охлаждения) и пластического деформирования.  
При механоэлектрохимической обработке (МЭХ) происходит одновременное воздействие механической, электрической и химической энергии (например, анодно-механическая обработка).  
Методы электрохимической (ЭХ) обработки предусматривают одновременное воздействие на материал электрической энергии и энергии химических 
реакций (например, электрохимическое полирование).  
Электромеханическая обработка (ЭМ) сопровождается одновременным 
воздействием на материала детали электрической и механической энергии.  
Методы химикотермической обработки (ХТ) предусматривают одновременное или последовательное воздействие на обрабатываемый материал нагрева в присутствии окружающей среды специального состава с целью обеспечения насыщения поверхностного слоя детали соответствующими элементами на 
заданную глубину.  
Методы механохимико-термической (МХТ) обработки характеризуются 
одновременным или последовательным протеканием процессов нагрева, пластического деформирования и насыщения поверхностного слоя детали соответствующими элементами. 
 
Классификация методов обработки по производительности формообразования 
Процесс формообразования обеспечивает получение у обрабатываемой заготовки некоторой поверхности с определенными геометрическими и физикомеханическими свойствами. Формообразование определяет кинематику процесса – совокупность относительных движений инструмента и обрабатываемой заготовки, необходимых для получения заданной поверхности. Основы кинематической теории формообразования рассматриваются в работах Г.И. Грановского, 
Е.Г. Коновалова, Л.Н. Кошкина.  
Схема формообразования зависит от процесса возникновения поверхности 
во времени и пространстве – процесс генерации поверхности. Он определяется 
относительным движением заготовки и инструмента. Формообразующая часть 
инструмента может представлять собой точку, линию, поверхность. В результате взаимодействия инструмента с заготовкой на ней в процессе генерации обра

 
 
зуется характеристический образ инструмента, каждая точка которого движется 
по определенной траектории, также представляющей точку, линию, поверхность (например, соответственно: вершина проходного резца, режущая кромка 
цилиндрической фрезы, поверхность штампа для объемной штамповки).  
В основе задания поверхности указанным способом (разработанным академиком Е.Г. Коноваловым) лежат три характеристических элемента:  
1) прерывистость (П), соответствующая прерывистому формированию поверхности в одном из двух измерений;  
2) непрерывность (Н), когда кинематикой станка обеспечивается воспроизведение в пространстве некоторой непрерывной прямой L; при этом параметры 
характеристического образа инструмента постоянны в течение всего цикла 
формообразования;  
3) единовременность (Е), т. е. единовременное формирование поверхности 
в одном из двух измерений.  
 
Комбинируя попарно указанные элементы, получают шесть различных по 
производительности способов формообразования поверхности. 
Указанная классификация основана на рассмотрении обрабатываемой поверхности как двухмерного множества точек, которое может быть представлено 
в виде произведения двух одновременных множеств точек (линий). Комбинируя 
различными перемещениями точек, линий и поверхностей, получаем шесть существенно отличных способов (классов) образования поверхности при их обработке. 
Сформулированы определения различным классам обработки.  
Первый класс охватывает методы формообразования, при которых поверхность во времени формируется прерывисто (кусочно) в двух измерениях (ПП) 
на плоскости. К этому классу относится обработка поверхности точечным инструментом (например, шабрение).  
Второй класс включает методы формообразования, при которых поверхность формируется прерывисто в одном направлении и непрерывно в другом 
направлении на плоскости (ПН). В качестве примера могут быть названы строгание, долбление.  
К третьему классу относятся методы формообразования, при которых поверхность формируется единовременно (мгновенно) в одном направлений и 
прерывисто в другом (ЕП). Например, фрезерование цилиндрической фрезой с 
прямым зубом. 
Четвертый класс: поверхность во времени формируется непрерывно в 
обоих направлениях (НН). Например, протягивание отверстия однозубой винтовой протяжкой, точение, нарезание резьбы резцом. 
Пятый класс: поверхность формируется единовременно в одном направлении и непрерывно в другом (ЕН). Например, протягивание, дорнование, врезное шлифование. 
Шестой класс: поверхность формируется единовременно в двух измерениях (ЕЕ). Например, объемная штамповка, чеканка. 

 
 
Рассмотренные шесть классов формообразования поверхностей имеют 
следующие особенности:  
а) каждый более высокий класс соответствует и более высокой производительности;  
б) имеется возможность дальнейшего комбинирования приведенных схем с 
целью повышения производительности.  
 
Часто в производственных условиях требуется изменить характер направляющей или образующей. Например, непрерывную направляющую сделать 
прерывистой, сохраняя при этом показатели производительности, свойственные 
высокому классу исходной схемы. В данном случае может быть использован 
метод комбинирования схем, направленный на изменение условий течения процесса. Это позволяет сохранить производительность, соответствующую первоначальной, исходной, схеме и привести характер течения процесса резания в 
соответствие с потребностями производства.  
Приведенная классификация может служить критерием для оценки производительности различных способов обработки. На её основе представляется 
возможным сопоставить уровень технологии различных предприятий. 
 
Классификация методов обработки по сущности процесса, виду применяемого инструмента и оборудования 
Механические и комбинированные методы обработки могут быть классифицированы по сущности процесса, виду применяемого инструмента и оборудования. Например, методы механической обработки: со съемом стружки металлическим лезвийным инструментом и абразивным (алмазным) инструментом или свободным абразивом формированием. Последние, в свою очередь, 
подразделяются по технологическому назначению на упрочняющие, отделочные и формообразующие, по характеру и скорости нагружения – статические и 
динамические.  
К методам обработки металлическим лезвийным инструментом относятся: 
точение, фрезерование, строгание, сверление, протягивание и др. К методам обработки абразивным инструментом относятся: шлифование круглое, хонингование, суперфиниш, обработка свободным абразивом, струйно-абразивная и 
виброабразивная обработка, абразивная галтовка и др.  
К методам обработки пластическим деформированием относятся: обкатывание, выглаживание, вибрационный наклеп и др. Среди них к формообразующим относятся методы, сопровождаемые изменением формы и размеров обрабатываемых деталей (калибрование, волочение, чеканка, гибка, штамповкавытяжка, холодное выдавливание, прессование и др.). К отделочноупрочняющим относятся методы обработки поверхностным пластическим деформированием: обкатывание и раскатывание, выглаживание, вибронаклеп и 
другие, при которых имеет место деформация гребешков микронеровностей исходной поверхности или тонкого поверхностного слоя, в результате чего 
уменьшается шероховатость и происходит изменение физико-механических 
свойств деформированного слоя.