Технология конструкционных материалов. Обработка резанием

Г.А. БОРИСЕНКО 
Г.Н. ИВАНОВ 
Р.Р. СЕЙФУЛИН

ТЕХНОЛОГИЯ 
КОНСТРУКЦИОННЫХ 
МАТЕРИАЛОВ

ОБРАБОТКА РЕЗАНИЕМ

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Москва
ИНФРА-М
2020

Допущено 
Учебно-методическим объединением вузов
по образованию в области автоматизированного машиностроения (УМО АМ) 
в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по направлениям подготовки «Технология, оборудование 
и автоматизация машиностроительных производств», 
15.03.05 «Конструкторско-технологическое обеспечение 
машиностроительных производств»

Борисенко Г.А.
Технология конструкционных материалов. Обработка резанием : учебное пособие / Г.А. Борисенко, Г.Н. Иванов, Р.Р. Сейфулин. — Москва : ИНФРА-М, 2020. — 142 с. — (Высшее образование: Бакалавриат).

ISBN 978-5-16-010323-5 (print)
ISBN 978-5-16-102272-6 (online)

В учебном пособии приводятся сведения по основным, наиболее широко 
применяемым технологическим процессам механической обработки (точение, 
фрезерование, сверление, шлифование). Пособие предназначено для обеспечения необходимого уровня подготовки студентов всех специальностей, изучающих курс «Технологические процессы в машиностроении», а также может 
быть полезно студентам, изучающим курсы «Резание материалов»; дает возможность выбрать комплект лабораторных работ по курсу теоретической 
и прикладной механики в зависимости от отведенных часов на лабораторные 
работы и наличия оборудования в лаборатории.

УДК  621.9(075.8)
ББК 34.63я73

УДК  621.9(075.8)
ББК  34.63я73
 
Б82

Б82

© Борисенко Г.А., Иванов Г.Н., 
  Сейфулин Р.Р., 2011
ISBN 978-5-16-010323-5 (print)
ISBN 978-5-16-102272-6 (online)

ГЛАВА 1.  ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. 
ТЕХНОЛОГИЯ РАЗМЕРНОЙ ОБРАБОТКИ 
ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Все существующие в машиностроении технологические 
процессы связаны с формоизменением исходного сырья (заготовки) 
с целью получения детали заданной формы, размеров, шероховатости поверхности, точности геометрической формы, физико-химическим состоянием и физико-механическими свойствами поверхностного слоя материала детали.
В зависимости от объема материала, входящего в заготовку  (Vз) 
и деталь  (Vдет), технологические процессы делятся на три группы: 
Vз ≈ Vдет,   Vз > Vдет,   Vз < Vдет.  В данной работе мы будем рассматривать технологические процессы второй группы.
Разность в объемах заготовки и детали  Vз − Vдет = t  — общий 
припуск на обработку, слой материала, удаляемый при обработке 
с целью получения поверхностей с заданными размерами и качественными показателями.
Припуск с заготовки можно удалить, воздействуя на материал 
различными способами.
1. Механическим, т.е. резанием, точением, сверлением, фрезерованием, ультразвуковой обработкой, пластическим деформированием поверхностного слоя.
2. Электрохимическим — путем анодного растворения при высокой плотности тока.
3. Электрофизическим — путем концентрации в небольших 
объемах энергии большой плотности; сюда относят электроэрозионный, лазерный и другие методы.
Механической обработке подвергаются заготовки, полученные 
литьем, свободной ковкой, горячей объемной штамповкой, холодной штамповкой, прокаткой и т.д.
Поступающие на обработку заготовки имеют различные формы: 
тела вращения (валы, втулки, маховики) с различными соотношениями длины  L  и диаметра  D;  корпусные детали, плиты с разными 
соотношениями длины  L,  ширины  В   и высоты  Н.  Любую форму 
детали можно представить в виде совокупности отдельных геометрических поверхностей (плоских, линейчатых, круговых, цилиндрических, конических, шаровых, торовых и геликоидных).

Каждую поверхность детали, согласно чертежу, обрабатывают 
в соответствии с заданными показателями точности.
Шероховатость поверхности оценивается совокупностью высот 
микронеровностей (рис. 1.1).

Rmax

l

Si
Si
Линия выступов

Линия впадин

m
m

Hmax

b1
bi
Smi
bn

p

y1

H1min

H2min

Hsmin

yn

h1min

h1max

h2min

h2max

hsmin

hsmax

H2max

Hsmax

Рис. 1.1.  Профилограмма поверхности

ГОСТ 2789–73 устанавливает следующие параметры шероховатости:
 • Ra — среднее арифметическое отклонение профиля;
 • Rz — высота неровностей профиля по 10 точкам;
 • Rmax — наибольшая высота профиля;
 • Sm — средний шаг неровностей;
 • S — средний шаг местных выступов профиля;
 • tp — относительная опорная длина профиля, где р — значение 
уровня сечения профиля.
Параметр  Ra  позволяет оценить шероховатость более полно, 
чем  Rz.
Волнистость — совокупность периодически чередующихся неровностей, у которых расстояние между смежными возвышенностями или впадинами превышает базовую длину. Волнистость приводит 
к уменьшению опорной поверхности в 5–10 раз по сравнению с шероховатостью.
Под геометрической точностью понимают изготовление размеров 
в пределах указанного на чертеже поля допуска; точности формы 
поверхности (некруглость, конусность и т.д.), взаимного расположения поверхностей (неперпендикулярность, непараллельность, 
несоосность и т.д.).

Допуск — разность между наибольшим и наименьшим предельными размерами, зависит от квалитета и величины размера.
Геометрическая точность оценивается квалитетом IТ. Всего 
19 квалитетов: от 0 до 4 — изготовление концевых мер, калибров; 
от 5 до 13 — размеры сопрягаемых деталей; с 14 по 17 — размеры 
низкой точности (литье, обработка давлением и т.д.).
Квалитет — совокупность допусков, рассматриваемых как соответствующие одному уровню точности всех номинальных размеров.
Значения параметров  Rz, Rа , IT  для разных технологических 
методов обработки устанавливаются на основании их связи с функциональными показателями деталей машин (табл. 1.1).

Та б л и ц а   1 .1
Средняя экономическая точность и шероховатость 
при обработке заготовок из стали и серого чугуна

Операция
Квалитет
Ra, мкм
Точение и растачивание:
• предварительное
12 и грубее
12,5
• чистовое
10 и грубее
3,2–1,6
• тонкое на станках класса П
5–6
0,6–0,4
Фрезерование:
• предварительное
12 и грубее
6,3
• чистовое
8
3,3–1,6
Сверление
11–12
6,3–3,2
Зенкерование
10 и грубее
3,2–1,6
Развертывание:
• предварительное
8 и грубее
1,6–0,8
• чистовое
7
0,8–0,4
Протягивание отверстия
7–8
0,8–0,4
Шлифование:
• чистовое
7
0,4–0,2
• тонкое на станках класса П
5–6
0,1–0,05
Притирка
5 и точнее
0,1–0,025
Доводка
4 и точнее
0,05 и менее
Хонингование
5 и грубее
0,05–0,025
Суперфиниширование
5 и грубее
0,05 и менее

Физико-механические свойства поверхностного слоя характеризуются твердостью, структурными и фазовыми превращениями, остаточными напряжениями, состоянием кристаллической решетки.

После обработки структура поверхностного слоя резко отличается от основной массы материала. Под действием сил резания на 
поверхности появляется дефектный слой, глубина которого зависит 
от материала, вида и режимов обр аботки.
Для проектирования технологического процесса необходим чертеж, в котором будут указаны: изображение детали; размеры и их 
предельные отклонения; допуски формы и расположения поверхностей; допуски относительно базовых поверхностей; шероховатость, 
материал и его твердость (HRС, HRB), технические условия (термообработка, покрытия и т.д.).

1.2. 
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ 
ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ

Механическая обработка — технологический процесс 
получения деталей заданных размеров точности, качества поверхностного слоя путем удаления припуска в виде стружки с помощью 
инструмента, режущая часть которого имеет форму клина (резец, 
фреза, шлифовальный круг и т.д.) (рис. 1.2).

Плоскость
сдвига

t

y
+σy

τmax

τx

−σy

Θ ≈ 30°

A
B
C

O

P

V

Зона
стружкообразования

Припуск
Зона
растяжения

Зона сжатия

Обработанная
поверхность

Режущий клин

Стружка

Обрабатываемая
поверхность

Рис. 1.2.  Схема резания

В технологии машиностроения полуфабрикаты, подлежащие обработке, называют заготовками. Наиболее важным параметром детали является ее геометрическая форма. Форма, с которой заготовка 
поступает на данную операцию, называется исходной; заготовка 
в исходном виде называется черновой. Окончательно обработанная 
заготовка называется готовой деталью или просто деталью, она имеет 
окончательную требуемую форму. Формы, которые заготовка принимает в процессе трансформации между двумя рабочими перехода

ми, называются промежуточными, или межпереходными, формами. 
Рассматриваемое изменение геометрической формы заготовки происходит путем снятия частиц материала механическим путем. Этот 
процесс называется резанием.
Изменение формы заготовки производится инструментом, который может иметь определенную либо неопределенную геометрию 
режущей части. Инструмент и заготовка представляют собой рабочую пару и в процессе резания соприкасаются, образуя рабочий 
стык, или зону взаимодействия.
Процессы резания являются самыми эффективными по производительности, удельной энергоемкости, точности и качеству обработки и поэтому очень широко применяются.
Чтобы начать процесс резания, необходимо обеспечить относительное перемещение режущего клина и заготовки. При давлении 
режущего клина на срезаемый слой происходит деформирование 
отдельных поликристаллов. Под действием приложенных сил изменяется расположение атомов в кристаллической решетке. Вследствие 
этого происходят физико-механические превращения в срезаемом 
слое материала и под обработанной поверхностью. Механизмы развития деформации и разрушения объясняются и описываются теорией дислокации физики твердого тела.
Передняя поверхность режущего клина (резец), осуществляя давление на материал, создает в ограниченной зоне, впереди, сложное 
упруго-напряженное состояние. Во всех плоскостях возникают 
касательные  τх  и нормальные  σу  напряжения. При увеличении 
нагрузки упруго-напряженное состояние переходит в пластическую 
деформацию. Этот вид деформации, в отличие от упругой, является 
необратимым, т.е. после прекращения действия сил тело не сохраняет свою первоначальную форму. У хрупких материалов (чугун) пластическая деформация практически отсутствует. Небольшая пластическая деформация происходит в зоне стружкообразования — ОАВ. 
В начале деформирования в определенных направлениях плоскости 
скольжения разбивают зерно на отдельные части (пластины). Образуется вытягивание зерен, и происходит упрочнение материала. 
С увеличением деформации при дальнейшем увеличении нагрузки 
происходит смещение зерен относительно друг друга.
При большой скорости резания зона стружкообразования настолько сужается, что можно считать, что стружкообразование происходит по одной плоскости — плоскости сдвига  ОС  (Θ  — угол 
сдвига ≈ 30°). В этой плоскости происходит скалывание элемента 
стружки, в ней действует наибольшее касательное напряжение.

Создание формы происходит при обработке заготовки режущим 
инструментом определенной геометрии или при относительном 
движении инструмента и заготовки, а также при сочетании обоих 
способов. Процесс резания изучает физические зависимости процесса снятия стружки. Понятия, относящиеся к технике резания, 
объясняются в соответствующих нормах. Выбор способа обработки 
зависит от выбора технологических средств: станков, режущих 
инструментов и материалов. В зависимости от применяемых технологических средств обработки различают ручное и машинное производство.

Виды движений и методы формообразования при резании

Резание — процесс взаимодействия инструмента и заготовки, 
сопровождающийся упругим и пластическим деформированием срезаемого слоя с последующим его разрушением. В существующих 
станках различают пять видов движений:
1) движение формообразования;
2) движение врезания;
3) движение деления;
4) вспомогательные движения;
5) движение управления.
Движения, с помощью которых с обрабатываемой поверхности 
удаляется припуск и изменяется физико-механическое состояние 
поверхностного слоя, называют движениями резания.
Движения формообразования — движения, с помощью которых на 
обрабатываемой заготовке мы получаем поверхности заданных форм 
и размеров методами резания.
Движения резания подразделяются на главное движение и движение подачи. Главному движению присуща максимальная скорость, 
а движение подачи — это движение, позволяющее продолжать начавшийся процесс резания, захватывая новые участки необработанной 
поверхности; его скорость значительно ниже скорости главного движения.
Движение врезания — движение, с помощью которого инструмент 
(заготовка) устанавливается на заданный размер в процессе начавшегося резания.
Движение деления — движение, позволяющее повторить обработанную поверхность несколько раз, последовательно смещая на заданный размер.
Вспомогательное движение — это движение, подготавливающее 
процесс резания (установка заготовки, инструмента, приспособления, наладка и настройка станка и т.д.).

Движение управления — движение, управляющее процессом резания. Различают ручное управление, автоматическое управление 
с жесткой связью (станки-автоматы, полуавтоматы, автомати ческие 
линии) и с числовым программным управлением — ЧПУ.
Существует четыре метода формообразования: метод копирования, метод следа, метод касания и метод обкатки (рис. 1.3).

V
V

V
V
S1

Sпр

Sпр

S2

а)
б)
в)

г)
д)

1

1

1

1

V

1
2
2
2

2

2

Рис. 1.3.  Схема методов формообразования поверхностей:
а, б — метод копирования;  в — метод следа;  
г — метод касания;  д — метод обкатки; 
1 — образующая линия; 2 — направляющая линия

1.3.  
ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ РЕЗАНИЯ 
ПРИ ТОЧЕНИИ

В данной работе рассматриваются параметры резания 
при токарной и фрезерной обработках.
Движение, определяющее скорость отделения стружки, — главное движение, его скорость  V.  Движение, которое позволяет продолжаться начавшемуся процессу резания, — движение подачи, его 
скорость  S.
Скорость резания — путь, проходимый в единицу времени точкой, расположенной на обрабатываемой поверхности или режущей 
кромке инструмента.
Точение — обработка резанием однолезвийным режущим инструментом — резцом.

При токарной обработке (рис. 1.4) скорость резания

V = πDn/1000  м/мин,

где  n — частота в ращения, 1/мин;  D — диаметр обрабатываемой 
поверхности, мм.

V

A
B

C

a

D
ϕ1

ϕ

E

d

b

t

D

Sпр

Sпр

1
3
2

Рис. 1.4.  Токарная обработка

Скорость подачи  S  (подача) — путь точки режущего лезвия инструмента относительно заготовки в направлении движения подачи 
за один оборот — Sо,  мм/об., либо в минуту —  Sm= Sо ⋅ n,  мм/мин.
В процессе резания на обрабатываемой детали различают три 
основные поверхности: обрабатываемая поверхность  1,  с которой 
срезается слой металла; обработанная поверхность  3,  полученная 
после удаления срезанного слоя; поверхность резания  2,  образуемая 
на заготовке непосредственно режущей кромкой резца. Эта поверхность является переходной между обработанной и обрабатываемой 
поверхностями. Ширина срезаемого слоя  b — расстояние между 
обрабатываемой и обработанной поверхностями, измеренное по поверхности резания. Толщина срезаемого слоя  a  — расстояние, 
измеренное по нормали к поверхности резания за время одного оборота заготовки. Глубина резания  t  — разность радиусов обрабатываемой и обработанной поверхностей.