Технологические процессы машиностроительного производства

МИ НИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИ-Я РОССИЙСКОЙ ФЕ Д ЕР А Ц ИИ  

ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ 

МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Учебник

ПЕНЗА 2002

Министерство образования Российской Федерации 

Пензенский государственный университет

Технологические процессы 
машиностроительного производства

Рекомендовано Учебно-методическим объединением 
по образованию в области автоматизированного машиностроения 
в качестве учебника для студентов вузов, обучающихся 
по направлениям «Технология, оборудование и автоматизация 
машиностроительных производств», «Автоматизация и управление» 
и специальностям «Технология машиностроения», 
«Металлорежущие станки и инструменты», 
«Автоматизация технологических процессов и производств»

Наградной
логотип
вуза

Издательство 
Пензенского государственного 
университета 
Пенза 2002

УДК 621.7 
ББК 34я7 
Т 38

Р е ц е н з е н т ы :
Кафедра «Технология материалов и материаловедение» 
Пензенского государственного университета

Главный технолог ОАО «Пенздизельмаш»
Ю. Э.Дананов

Т 38 
Технологические процессы машиностроительного производства / Моисеев В. Б., Таранцева К. Р., Схиртладзе А. Г., Скрябин В. А., Репин А. С., 
Корнилаева Л. П.; Под ред. Таранцевой К. Р.: Учебник. -  Пенза: Изд-во 
Пенз. гос. ун-та, 2002. -  268 с.: 81 ил., 5 табл., библиогр. 7 назв.

Учебник включает вопросы получения конструкционных материалов в машиностроении и в бытовой технике, производства отливок различными методами литья, а также вопросы, связанные с обработкой металлов давлением. Дано 
описание технологии сварочного производства и обработки резанием металлических деталей и из различных композиционных материалов.
Работа подготовлена на кафедре «Техническое управление качеством» Пензенского технологического института и предназначена для студентов, изучающих дисциплины «Технологические процессы машиностроительного производства» и «Технология конструкционных материалов» по специальностям 120100 
«Технология машиностроения», 170600 «Машины и аппараты пищевых производств», 330200 «Инженерная защита окружающей среды», а также при изучении дисциплин «Основы производства деталей бытовых машин и приборов» и 
«Производство бьгговых машин и приборов» по специальности «Бытовые машины и приборы».
Книгу написали: главы 1-5, 9-10 Таранцева К. Р., канд. техн. наук, доц.; Репин А. С., канд. техн. наук, доц.; Корнилаева Л. П., канд. техн. наук, доц.; главы 
6-8 -  Моисеев В. Б., д-р техн. наук, проф.; Схиртладзе А. Г., д-р техн. наук, 
проф.; Скрябин В. А., д-р техн. наук, проф.

УДК 621.7 
ББК 34я7

© Издательство Пензенского государственного 
университета, 2002 
© Коллектив авторов, 2002

ПРЕДИСЛОВИЕ

Курс «Технологические процессы машиностроительного производства» занимает в становлении инженера особое место, так как 
одним из первых способствует формированию мышления инженера- 
машиностроителя. Для создания конструкций машин и приборов и 
обеспечения на практике их заданных характеристик и надежности 
инженер должен владеть методами изготовления деталей и их сборки. Для этого он должен обладать знаниями по технологии конструкционных материалов.
Предметом курса «Технологические процессы машиностроительного производства» являются современные рациональные и распространенные в промышленности прогрессивные способы формообразования заготовок и деталей машин.
Целью пособия является ознакомление студентов с основами знаний о современном машиностроительном производстве. В соответствии с программой курса в пособии в логической последовательности 
и связи изложены сведения о получении металлов из руд и дальнейшей их переработке до готовых деталей с заданными формами и 
свойствами, о технологии изготовления машиностроительных деталей из композиционных, порошковых и неметаллических материалов.
Учебник составлен по принципу единства основных, фундаментальных способов обработки конструкционных материалов: литья, 
обработки давлением, сварки и обработки резанием.

Глава 1

Строение конструкционных материалов

1.1. Конструкционные материалы 
в машиностроении

Конструкционные материалы служат для изготовления деталей, 
удовлетворяющих эксплуатационным, технологическим и экономическим требованиям, обусловленным служебным назначением машины (рис. 1.1). К ним относятся:
• металлы -  химические элементы, образующие в свободном 
состоянии простые вещества с металлической связью. Современная 
металлургия получает свыше 60 металлов и на их основе более 
5000 сплавов [1];

Рис. 1.1. Общая классификация конструкционных материалов

• сплавы -  твердые вещества, образованные сплавлением двух 
или более компонентов. Сплав образуется в результате как чисто физических процессов (растворение, перемешивание), так и в результате химического взаимодействия между элементами. Разнообразие

состава типов межатомной связи и кристаллических структур сплавов обусловливает значительное различие их физико-химических, 
электрических, магнитных, механических, оптических и других 
свойств. Сплавы на основе железа в зависимости от содержания в 
них углерода называют сталями или чугунами; на основе алюминия, 
магния, титана и бериллия -  легкими цветными сплавами; на основе 
цинка, кадмия, олова, свинца, висмута -  легкоплавкими цветными 
сплавами; на основе меди, свинца, олова и т. д. -  тяжелыми цветными сплавами; на основе молибдена, ниобия, циркония, вольфрама, 
ванадия и т. д. -  тугоплавкими сплавами;
• неметаллические материалы -  неорганические и органические материалы, композиционные материалы на неметаллической 
основе, клеи, герметики, лакокрасочные покрытия, графит, стекло, 
керамика и т. д.;
• полимеры -  вещества, макромолекулы которых состоят из 
многочисленных элементарных звеньев (мономеров) одинаковой 
структуры. В зависимости от формы молекул полимеры могут быть 
линейными, разветвленными и сетчатыми;
• аморфные вещества -  тела, характеризующиеся полной изотропией свойств по всем направлениям. Изотропия аморфных тел 
объясняется хаотическим расположением в них атомов и молекул, 
лишенных какой-либо взаимной ориентации. Примерами веществ, 
находящихся в аморфном состоянии, являются естественные тела 
(опал, обсидиан, янтарь, смола и пр.) и искусственные (стекло, бакелит, плавленый кварц, желатин и др.).
До недавнего времени основной базой машиностроения служила 
черная металлургия, производящая стали и чугуны. Эти материалы 
имеют много положительных качеств и, в первую очередь, обеспечивают высокую конструкционную прочность деталей машин. Однако эти классические материалы имеют такие недостатки, как большая плотность и низкая коррозионная стойкость, так потери от коррозии составляют 2 0 % годового производства изделий из стали и 
чугуна. В настоящее время все более широкое применение в качестве 
конструкционных материалов находят неметаллические, главным 
образом, синтетические полимерные материалы, производство которых расширяется с каждым годом.

1.2. Строение конструкционных материалов

В природе существуют две разновидности твердых тел, различающиеся по своим свойствам -  кристаллические и аморфные.
Кристаллические тела характеризуются упорядоченным расположением в пространстве элементарных частиц, из которых они составлены (ионов, атомов, молекул); аморфные -  хаотичным.
Все металлы в твердом состоянии имеют кристаллическое строение. В металлическом кристалле валентные энергетические зоны 
атомов перекрываются, образуя общую зону со свободными подуровнями. Это дает возможность валентным электронам свободно 
перемещаться в пределах этой зоны от атома к атому. Происходит 
обобществление валентных электронов в объеме всего кристалла. 
Вследствие ненаправленное™ металлической связи металлические 
кристаллы более пластичны и менее тверды, чем ковалентные кристаллы. Хорошая электропроводность обеспечивается наличием свободных подуровней в валентной энергетической зоне.
Для описания атомно-кристаллической структуры металлов пользуются понятием кристаллическая решетка. Кристаллическая решетка представляет собой воображаемую пространственную сетку, 
в узлах которой располагаются атомы, образующие металл.
Для большинства металлов наиболее характерны три типа кристаллических решеток: кубическая объемно-центрированная (ОЦК), 
кубическая гранецентрированная (ГЦК) и гексагональная (ГПУ) 
(рис. 1 .2 ).
В кубической объемно-центрированной (ОЦК) решетке атомы 
располагаются в узлах ячейки и один атом -  в центре объема куба 
( W , V , Сг и др.) (рис. 1.2, а).
В кубической гранецентрированной решетке (ГЦК) атомы расположены в узлах куба и в центре каждой грани ( P b , N i, Ag , А1, 
P d , P t, Си и др.) (рис. 1.2, б).
В гексагональной решетке (ГПУ) атомы расположены в узлах и 
в центре шестигранных оснований призмы и три атома в средней 
плоскости призмы ( M g, C d , R e, Os , Zn и др.) (рис. 1.2, в).

Рис. 1.2. Схемы кристаллических решеток: 
а -  объемно-центрированная; 
б -  гранецентрированная; 
в -  гексагональная плотноупакованная

Некоторые металлы могут существовать в нескольких формах 
( T i, С о , Z r, Fe). Это явление носит название аллотропии (полиморфизма). Так, железо при нагреве претерпевает ряд аллотропических превращений при различных температурах;
1)1539-1400 °С -  железо имеет решетку ОЦК с расстоянием меж- 
о 
о 
9
ду атомами 2,93 А ( А = 10 мм) и обозначается FeS;
о
2) 1400-910 °С -  имеет решетку ГЦК с параметром 3,6 А и обозначается Fey (немагнитно);
о
3) 910-768 °С -  имеет решетку ОЦК с параметром 2,93 А и обозначается Fe|3 (немагнитно);

4) >768 °С Fe(3 превращается в магнитное Fea .

Стабильность модификаций при определенной температуре и
давлении определяется значением термодинамического потенциала:
Z = Н - S T ,
где Н -  энтальпия при 0 К, равна энергии связи (имеет знак минус); S -  энтропия -  равна энергии колебания элементарных частиц в узлах решетки и энергии поступательного движения валентных 
элекгроноз при тепловом возбуждении.
Более стабильной при данной температуре будет модификация, 
имеющая меньшее алгебраическое значение термодинамического 
потенциала (что может быть достигнуто либо за счет большой энергии связи, либо из-за большой энтропии).

В металлических кристаллах плотноупакованной структуры ГПУ 
и ГЦК атомы имеют большую энергию связи и устойчивы при низких температурах. Более рыхлая структура ОЦК имеет большую энтропию вследствие большей амплитуды атомов и потому устойчива 
при повышенных температурах.
Вследствие неодинаковой плотности атомов в различных плоскостях и направлениях решетки многие свойства (химические, физические, механические) каждого кристалла зависят от направления. 
Указывая физические или механические свойства кристалла, необходимо дополнительно учитывать направление, к которому эти свойства относятся.
Подобная неодинаковость свойств монокристалла в разных кристаллографических направлениях называется анизотропией.
Наличие анизотропии приводит к необходимости введения определенной системы в обозначении направлений и плоскостей.
Рассмотрим основные направления на примере кубической решетки (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Кристаллографические индексы направлений (а) 
и плоскостей (б, в) в кубических решетках

Индексы осей решетки Х-[ 100], Y -  [010], Z —[001].
Индексы пространственных диагоналей [111], [110].
В ГЦК плоскость с наиболее плотным расположением атомов 
будет плоскость октаэдра (111), в ОЦК (110), для ГПУ -  плоскость

базиса (100). По этим плоскостям смещаются атомы при пластической деформации кристалла (плоскости скольжения).
Технические металлы являются поликристаллами, т. е. состоят из 
большого числа анизотропных кристаллитов. В большинстве случаев 
кристаллиты статистически неупорядоченно ориентированы один по 
отношению к другому, поэтому во всех направлениях свойства почти 
одинаковы, т. е. поликристаллическое тело является изотропным.
Таким образом, монокристалл -  тело анизотропное, т. е. его 
свойства зависят от направления, тогда как поликристаллическое 
тело в большинстве случаев изотропно.
Свойства сплавов зависят от образующейся в процессе кристаллизации структуры.
Процесс кристаллизации начинается с образования кристаллических зародышей -  центров кристаллизации. Скорость кристаллизации зависит от скорости зарождения центров кристаллизации и скорости роста кристаллов. Пока зародыши растут свободно, они имеют 
геометрически правильную форму и отличаются друг от друга размерами и различной ориентировкой. Как только растущие кристаллы 
соприкасаются, их правильная форма нарушается. В результате, полученные кристаллы при правильном внутреннем строении имеют 
различную внешнюю форму, зависящую от условий кристаллизации.
Кристаллы неправильной формы называются зернами. Зерна отличаются различной ориентацией кристаллических решеток; размер 
зерен составляет от 1 до 10000 мкм. Зерна повернуты относительно 
друг друга на десятки градусов.
На границах зерен имеется поврежденный переходный слой толщиной порядка нескольких атомных слоев, свойства и химический 
состав которых могут отличаться от сердцевины. В реальном кристалле всегда имеются дефекты строения, которые по геометрическим признакам подразделяются на точечные, линейные и плоскостные (рис. 1.4). Концентрация дефектов в реальных кристаллах возрастает после закалки, деформирования и других видов обработки.
К точечным дефектам относятся вакансии, межузельные атомы 
и примесные атомы (рис. 1.4, а). Точечные дефекты непрерывно перемещаются в решетке. Все точечные дефекты искажают кристаллическую решетку, увеличивают электросопротивление материала.