Метод подобия в технологии машиностроения

. . 





, 
«-» 
2021 

621.8 
34.4 
39 

:

, . .  
39 
 
: / . . - 
. – 2-., . . – ; : -, 2021. – 356 . : ., 
.  
 
 
ISBN 978-5-9729-0766-3 

, . . . , . 
-, 
, . 

621.8 
34.4 

ISBN 978-5-9729-0766-3 
. ., 2021 
«-», 2021 
. «-», 2021 

, . .;
, , . .

Издание этой монографии
посвящается моей жене
Безъязычной Але Николаевне
в связи с 60-летием
совместной жизни.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ………………………………………………………………………..
8

1. ВЛИЯНИЕ КАЧЕСТВА МАТЕРИАЛА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ  
НА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ОСОБО ОТВЕТСТВЕННЫХ  
ДЕТАЛЕЙ МАШИН………………………………………………………………...
12

2. МЕТОД ПОДОБИЯ В ИНЖЕНЕРИИ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ  
МАШИН……………………………………………………………………………… 22
2.1. ИСХОДНЫЕ СООТНОШЕНИЯ МЕТОДА ПОДОБИЯ ПРИ ОБРАБОТКЕ МАТЕРИАЛОВ
РЕЗАНИЕМ………………………………….…………………………………….... 22
2.2. РАСЧЁТ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ МАТЕРИАЛА
ДЕТАЛИ, ОБУСЛОВЛЕННЫХ ТЕПЛОВЫМ И СИЛОВЫМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ
НА ПОВЕРХНОСТНЫЙ СЛОЙ………………….......................................................... 24
2.2.1. Определение температуры в поверхностном слое материала детали  
при механической обработке лезвийным инструментом………………. 24
2.2.2. Остаточные напряжения, обусловленные тепловым воздействием  
на поверхностный слой материала детали при обработке лезвийным
инструментом……………………………………………………………...
32
2.2.3. Остаточные напряжения, обусловленные силовым воздействием  
на поверхностный слой материала детали при обработке лезвийным
инструментом……………………………………………………………...
42
2.2.4. Суммарные остаточные напряжения при совместном воздействии  
на поверхностный слой тепла и сил резания…………............................. 48
2.2.5. Остаточные напряжения в поверхностном слое материала детали
при шлифовании, обусловленные тепловым воздействием  
на поверхностный слой…………………………………………………… 49
2.2.6. Остаточные напряжения в поверхностном слое материала детали  
при дорновании отверстий……………………………………………..… 58
2.2.7. Определение остаточных напряжений в поверхностном слое  
материала детали от действия теплового фактора с учётом  
упрочнения обрабатываемого материала………………………………..
75
2.3. РАСЧЁТНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ПОВЕРХНОСТНОМ
СЛОЕ МАТЕРИАЛА ОБРАБАТЫВАЕМОЙ ДЕТАЛИ С УЧЁТОМ
СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ…………………………………………..
84
2.4. РАСЧЁТ СТЕПЕНИ И ГЛУБИНЫ НАКЛЁПА В ПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ МАТЕРИАЛА
ДЕТАЛИ…………………………………………………………………………….
91
2.4.1. Определение глубины наклёпа при точении………………….................. 91
2.4.2. Определение глубины наклёпа при шлифовании……………………….. 93
2.4.3. Расчётное определение степени наклёпа…..…………………………….. 95
2.5. РАСЧЁТНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ШЕРОХОВАТОСТИ ОБРАБОТАННОЙ
ПОВЕРХНОСТИ……………………………..……………………………………… 109
2.5.1. Определение параметров шероховатости обрабатываемой  
поверхности с учётом физико-механических свойств  
обрабатываемого и инструментального материалов…………………… 109
2.6. ТЕОРЕТИКО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ КАЧЕСТВА
ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ МАТЕРИАЛА ДЕТАЛЕЙ……………..…........................... 115
2.6.1. Определение остаточных напряжений при точении………..................... 115
2.6.2. Определение высоты неровностей обработанной поверхности……….. 116

2.6.3. Расчёт глубины наклёпа в поверхностном слое материала
обработанной поверхности детали при обработке точением…………...120

3. РАСЧЁТНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОГРЕШНОСТИ ОБРАБОТКИ,  
ОБУСЛОВЛЕННОЙ ПРОЦЕССОМ РЕЗАНИЯ………………………………... 122
3.1. ПОГРЕШНОСТЬ, ОБУСЛОВЛЕННАЯ НЕДОСТАТОЧНОЙ ЖЁСТКОСТЬЮ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ СПИЗ……………………………………………. 124
3.2. ПОГРЕШНОСТЬ ОБРАБОТКИ ВСЛЕДСТВИЕ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ДЕФОРМАЦИИ
РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА………………............................................................... 137
3.3. ПОГРЕШНОСТЬ ОБРАБОТКИ, ОБУСЛОВЛЕННАЯ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ДЕФОРМАЦИЕЙ
ОБРАБАТЫВАЕМОЙ ЗАГОТОВКИ…………………………………………………... 143
3.4. ПОГРЕШНОСТЬ ОБРАБОТКИ ВСЛЕДСТВИЕ ИЗНОСА РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА….. 149
3.5. СУММАРНАЯ ПОГРЕШНОСТЬ ОБРАБОТКИ………………………………………… 153
3.6. РАСЧЁТНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОГРЕШНОСТИ ПРИ ОБРАБОТКЕ НА СТАНКАХ
С ЧПУ……………………………….……………..……………………………… 155
3.7. ВЛИЯНИЕ ЖЁСТКОСТИ ПОЛЗУНА ТОКАРНО-КАРУСЕЛЬНОГО СТАНКА
НА ТОЧНОСТЬ ОБРАБОТКИ………………………………………………………… 161

4. АВТОМАТИЗАЦИЯ РАСЧЁТА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ
ОБРАБОТКИ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ КОМПЛЕКС ЗАДАННЫХ  
ПАРАМЕТРОВ ТОЧНОСТИ ОБРАБОТКИ И КАЧЕСТВА МАТЕРИАЛА
ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ…………………………...…................ 172
4.1. ОБЩЕЕ ОПИСАНИЕ ПРОБЛЕМЫ РАСЧЁТА РЕЖИМОВ ОБРАБОТКИ………………….172
4.2. РАСЧЁТ ПАРАМЕТРОВ ТОЧНОСТИ ОБРАБОТКИ И КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО
СЛОЯ МАТЕРИАЛА ДЕТАЛЕЙ…………………………….………………………… 173
4.3. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ РАСЧЁТА РЕЖИМОВ ОБРАБОТКИ…………………………..174
4.4. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ……….……………………………..178
4.5. БАЗОВАЯ СИСТЕМА НАЗНАЧЕНИЯ РЕЖИМОВ РЕЗАНИЯ ПРИ ТОКАРНОЙ
ОБРАБОТКЕ………………………………………………………………………… 181
4.6. МНОГОУРОВНЕВАЯ СИСТЕМА РАСЧЁТА РЕЖИМОВ РЕЗАНИЯ…………………….. 184

5. АЛГОРИТМ РАСЧЁТНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
УСЛОВИЙ ОБРАБОТКИ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ ЗАДАННЫЕ  
ПАРАМЕТРЫ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ И ТОЧНОСТИ
ПРИ ОБРАБОТКЕ ДЕТАЛЕЙ ТОЧЕНИЕМ……………………………………. 188
5.1. ВЫБОР ИСХОДНЫХ ДАННЫХ……………….………………………………………188
5.2. ФОРМИРОВАНИЕ ЦЕЛЕВОЙ ФУНКЦИИ…………………………………………….. 196
5.3. ФОРМИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ ОГРАНИЧЕНИЙ, НАКЛАДЫВАЕМЫХ НА ПРОЦЕСС
ОПТИМИЗАЦИИ……………………………………………………………………. 197
5.4. ОПТИМИЗАЦИОННЫЙ ПОИСК……………………….……….……………………. 198
5.4.1. Расчёт параметров сечения среза (толщина среза а1, ширина среза b1
и суммарная длина режущих кромок b)………………….………... 
198
5.4.2. Расчёт безразмерных комплексов процесса резания (Г, Д, Е, М, Б, В)…200
5.4.3. Расчёт оптимальной температуры в зоне резания [41]……..…………... 200
5.4.4. Расчёт температуры на условной вершине резца (точке А) [41]………..201
5.4.5. Расчёт фактической температуры в зоне резания [41]………………….. 201
5.4.6. Расчёт тангенциальной составляющей силы резания Pz …...................... 201
5.4.7. Расчёт величины фиктивной подачи………………………...................... 201
5.4.8. Расчёт параметра шероховатости Rz……………………………………...202

5.4.9. Расчёт глубины наклёпа hн ….……………………………….……………202
5.4.10. Расчёт остаточных напряжений σост ……………………….…………... 202
5.4.11. Расчёт погрешности обработки Δh, обусловленной недостаточной
жёсткостью технологической системы СПИЗ…………………………... 209
5.4.12. Расчёт погрешности ΔR, вызванной температурными
деформациями заготовки…………………………………………………. 210
5.4.13. Расчёт погрешности ΔLp, обусловленной температурными
деформациями резца……………………………………………….……… 211
5.4.14. Расчёт погрешности обработки Δизн, обусловленной износом
резца………………………………………………………….……….......... 212
5.4.15. Расчёт суммарной погрешности обработки ΔΣ….................................... 213
5.4.16. Определение значения целевой функции…………….…….…………...213
5.4.17. Вывод результатов расчёта……………………………….……………... 214

6. НАЗНАЧЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ОБРАБОТКИ
С УЧЁТОМ ЗАДАННЫХ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ  
ДЕТАЛЕЙ МАШИН………………………………………………………………... 215
6.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ОБРАБОТКИ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ
ЗАДАННУЮ ВЕЛИЧИНУ ПРЕДЕЛА ВЫНОСЛИВОСТИ МАТЕРИАЛА ДЕТАЛЕЙ
МАШИН…………………..……………………………..………............................. 215
6.2. РАСЧЁТНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ОБРАБОТКИ,
ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ ЗАДАННУЮ КОНТАКТНУЮ ЖЁСТКОСТЬ СОПРЯГАЕМЫХ
ПОВЕРХНОСТЕЙ…………………............................................................................ 225
6.3. РАСЧЁТНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИНТЕНСИВНОСТИ ИЗНАШИВАНИЯ
КОНТАКТИРУЮЩИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ, ПОЛУЧЕННЫХ МЕХАНИЧЕСКОЙ
ОБРАБОТКОЙ………………………………………………………………………. 232
6.4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОЧНОСТИ СОЕДИНЕНИЙ С НАТЯГОМ……...248
6.5. РАСЧЁТНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИХ
КОРРОЗИОННУЮ СТОЙКОСТЬ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ, ПОЛУЧЕННЫХ
МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКОЙ……………………………………………………. 274
6.5.1. Пример расчёта значения параметра скорости корродирования
и высоты неровностей на исследуемой поверхности вследствие
коррозионного изнашивания……………………………………………... 280

7. ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ОБРАБОТКИ  
НА ФОРМИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ  
МАШИН……………………………………………………………………………… 284
7.1. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ОБРАБОТКИ НА ИЗМЕНЕНИЕ
ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ МАТЕРИАЛА ДЕТАЛЕЙ
МАШИН, ОБУСЛОВЛЕННЫХ ТЕПЛОВЫМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ………………………… 284
7.2. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ОБРАБОТКИ НА ИЗМЕНЕНИЕ
ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ МАТЕРИАЛА ДЕТАЛИ,
ОБУСЛОВЛЕННЫХ СИЛОВЫМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ…………………………………….288
7.3. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ОБРАБОТКИ НА ГЛУБИНУ
НАКЛЁПА ПРИ ТОЧЕНИИ, ОБУСЛОВЛЕННОГО ТЕПЛОВЫМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ
НА ПОВЕРХНОСТНЫЙ СЛОЙ ДЕТАЛИ……………………………………………… 290
7.4. , ………………………………………....…….. 291 

7.5. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ОБРАБОТКИ НА ГЛУБИНУ
НАКЛЁПА, ВЫЗЫВАЕМОГО СОВМЕСТНЫМ ДЕЙСТВИЕМ ТЕПЛОВОГО
И СИЛОВОГО ФАКТОРОВ НА ПОВЕРХНОСТНЫЙ СЛОЙ МАТЕРИАЛА
ОБРАБАТЫВАЕМОЙ ДЕТАЛИ……............................................................................. 293
7.6. ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ СОТС НА СОСТОЯНИЕ ОБРАБОТАННОЙ ПОВЕРХНОСТИ……... 296
7.7. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ОБРАБОТКИ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ МАТЕРИАЛА
ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН……………………………………… 298

8. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ  
В ИНЖЕНЕРНЫХ РАСЧЁТАХ……………………………….………………….. 305
8.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ РЕЗАНИЯ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕЙ МИНИМАЛЬНУЮ
СЕБЕСТОИМОСТЬ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЯ……………………………………… 305
8.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ РЕЗАНИЯ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕЙ МАКСИМАЛЬНУЮ
ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ ОБРАБОТКИ……………………………………………….306
8.3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕЖИМА РЕЗАНИЯ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕГО ЗАДАННУЮ
ПОГРЕШНОСТЬ ОБРАБОТКИ...................................................................................... 307
8.4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕЖИМА РЕЗАНИЯ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕГО ЗАДАННОЕ ЗНАЧЕНИЕ
ВЫСОТЫ НЕРОВНОСТЕЙ НА ОБРАБОТАННОЙ ПОВЕРХНОСТИ…………………….. 308
8.5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕЖИМА РЕЗАНИЯ ПО ЗАДАННОЙ ВЕЛИЧИНЕ ОСТАТОЧНЫХ
НАПРЯЖЕНИЙ В ПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ МАТЕРИАЛА ДЕТАЛИ………………….. 311
8.6. РАСЧЁТНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕЖИМОВ РЕЗАНИЯ ПО ЗАДАННОЙ ГЛУБИНЕ
НАКЛЁПА В ПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ МАТЕРИАЛА ДЕТАЛИ ПРИ ТОЧЕНИИ……….. 312
8.7. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕЖИМА РЕЗАНИЯ С УЧЁТОМ КОМПЛЕКСА ПАРАМЕТРОВ
КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ МАТЕРИАЛА ДЕТАЛИ………….…………… 314
8.8. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕЖИМА РЕЗАНИЯ ПО ЗАДАННОМУ ЗНАЧЕНИЮ ПАРАМЕТРОВ
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ…………………………………………………..317

9. АВТОМАТИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ОБРАБОТКИ………... 320

10. ВЛИЯНИЕ ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ РЕЖУЩЕГО  
ИНСТРУМЕНТА НА ПАРАМЕТРЫ КАЧЕСТВА МАТЕРИАЛА  
ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ…………………………………………328
10.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УГЛА НАКЛОНА УСЛОВНОЙ ПЛОСКОСТИ СДВИГА
И БЕЗРАЗМЕРНОГО КОМПЛЕКСА ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ В ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ
РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА С ИЗНОСОСТОЙКИМ ПОКРЫТИЕМ…………………… 328
10.2. ВЛИЯНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТРЕНИЯ НА ПЕРЕДНЕЙ ПОВЕРХНОСТИ РЕЖУЩЕГО
ИНСТРУМЕНТА С ПОКРЫТИЕМ НА ПАРАМЕТРЫ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ……………..331
10.3. МЕТОДИКА РАСЧЁТА ПАРАМЕТРОВ КАЧЕСТВА МАТЕРИАЛА ПОВЕРХНОСТНОГО
СЛОЯ ДЕТАЛИ ПРИ ОБРАБОТКЕ ИНСТРУМЕНТАМИ С ПОКРЫТИЯМИ……………… 336

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ……………………………………………………..............347

ПРЕДИСЛОВИЕ

Повышение качества и надёжности машиностроительной продукции может

быть достигнуто за счёт улучшения эксплуатационных свойств деталей машин, которые в значительной степени зависят от качества поверхностного слоя. Иногда последним в большей степени определяется ресурс эксплуатации деталей изделия, нежели характеристиками точности обработки. Это связано с тем, что в связи с дефектами в поверхностном слое материала детали происходит более быстрое накопление
повреждений, приводящее к образованию трещины, её развитию и разрушению детали. Особенно актуальна эта проблема для авиастроения, космической техники и других отраслей промышленности, где разрушение ответственных деталей может привести к катастрофе.

Применяемые в авиадвигателестроении жаропрочные сплавы, жаропрочные и

нержавеющие стали, детали из которых составляют до 85 % от массы авиационного
двигателя, обладают низкой обрабатываемостью по стойкости инструмента, резко
выраженной экстремальностью зависимости «стойкость инструмента – скорость резания», и в то же время, в их поверхностном слое могут возникать значительное упрочнение, большие остаточные напряжения, в ряде случаев неудовлетворительная
шероховатость обработанной поверхности.

При изготовлении многих ответственных деталей ГТД (диски, валы, корпусы

компрессора и др.) преобладают операции механической обработки, в частности, обработки лезвийным инструментом. Они составляют свыше 50 % от общей трудоёмкости изготовления авиационных двигателей. Окончательная механическая размерная
обработка деталей является перспективной для дальнейшего развития технологии
машиностроения.

Применительно к ответственным деталям современных машин, работающих в

сложных условиях (что характерно для многих деталей авиационных двигателей), под
качеством поверхностного слоя понимают не только шероховатость обработанной
поверхности, но и физико-механические характеристики поверхностного слоя: степень и глубину наклёпа, остаточные напряжения, искажения кристаллической решётки, плотность дислокаций, структурно-фазовые превращения, накопленную энергию
деформации, изменения химического состава и другие.

Нередко требуется обеспечение заданной величины и глубины залегания оста
точных напряжений, глубины наклёпа в поверхностном слое, требуемой шероховатости поверхности. Речь идет именно о заданных параметрах точности обработки и качества поверхности, так как установлено, что в ряде случаев чрезмерное уменьшение
шероховатости или увеличение степени и глубины наклёпа поверхностного слоя может оказаться вредным и снижать срок работы изделия. В зависимости от эксплуатационных условий наклёп поверхностного слоя материала детали может или положительно, или отрицательно влиять на работоспособность детали. Для различных условий работы в поверхностном слое детали целесообразно создавать или остаточные
напряжения сжатия, или остаточные напряжения растяжения. Иногда поверхностный
слой изделия вообще не должен иметь остаточных напряжений. Методы и технологические условия обработки должны обеспечивать заданные требования. Чтобы минимизировать затраты на изготовление, разработку технологического процесса целесообразно производить на основе учёта закономерностей, существующих между заданными требованиями к детали (шероховатость поверхности, наклёп, остаточные напряжения, размерная точность обработки и др.) и условиями обработки (режимы резания, геометрия обрабатывающего инструмента и др.). Однако, до сих пор в техни

ческой литературе недостаточно представлены обобщённые теоретические зависимости между параметрами качества поверхностного слоя, точности обработки, эксплуатационных свойств материала деталей машин и параметрами процесса механической
обработки. 

Результаты исследования поверхностного слоя деталей машин при механиче
ской обработке за период 50 – 60-х гг. прошлого столетия изложены в работах Якобсона М. О., Маталина А. А., Исаева А. И., Подзея А. В. и др., в которых сформулированы физические основы формирования поверхностного слоя и влияние технологических условий обработки на параметры качества поверхностного слоя. 

Результаты исследования параметров поверхностного слоя на основе совре
менных достижений науки изложены в работах Макарова А. Д., Мухина В. С., Сулимы А. М. и Евстигнеева М. И. и др. Состояние технологического обеспечения эксплуатационных свойств деталей машин освещено в работах Рыжова Э. В., Суслова А. Г., Соломенцева Ю. М., Дальского А. М., Сулимы А. М., Бабичева А. П., Бутенко В. И., Старкова В. К., Горленко О. А., Макарова В. Ф., Киричека А. В., Смелянского В. М., Федонина О. Н., Шустера Л. Ш. и многих др. 

Вопросы теоретического определения параметров качества поверхностного

слоя во взаимосвязи с технологическими условиями обработки рассмотрены в работах Подзея А. В., Кравченко А. В., Овсеенко А. Н. и др. Следует отметить, что решение конечной задачи в этих работах достигается, исходя из преимущественного влияния либо силового, либо теплового воздействия на формирование характеристик поверхностного слоя, в то время как в процессе резания они действуют совместно, и
только в частном случае может проявляться преимущественное влияние одного
из них. 

Теоретический подход к определению характеристик поверхностного слоя и

управления ими изложен в работах Старкова В. К. В основу положены энергетические критерии качества, которые являются комплексными характеристиками качества
поверхностного слоя детали. Не умаляя значения этого подхода, следует заметить, 
что в промышленности в настоящее время широко используются такие характеристики поверхностного слоя, как шероховатость поверхности, остаточные напряжения, 
степень и глубина наклёпа в поверхностном слое детали. 

Сложность расчётного определения условий обработки, обеспечивающих тре
буемые характеристики качества поверхностного слоя, усугубляется тем, что с точки
зрения обеспечения наибольшей производительности безразлично, какой из элементов режима резания изменять: скорость резания или подачу. При назначении режима
резания с учётом стойкости инструмента, требуемой точности и качества обработанной поверхности это условие нарушается, поскольку элементы режима резания поразному влияют на температуру и силу резания. Последние в итоге определяют стойкость инструмента, точность обработки и характеристики качества поверхностного
слоя. В связи с этим целесообразно назначать сочетания подачи, глубины и скорости
резания, обеспечивающие необходимые требования к инструменту и детали. Актуальность и вместе с тем сложность решения задачи по определению технологических
условий обработки обусловлены также необходимостью достижения стабильности
или изменяемости по желаемым законам характеристик качества поверхностного
слоя, когда отдельные поверхности ответственных деталей работают в различных
температурно-силовых условиях (диски и лопатки ГТД и др.). 

Важность проблемы расчётного определения (прогнозирования) взаимосвязи

технологических условий обработки и эксплуатационных свойств деталей машин определяется также следующим. В настоящее время в машиностроении реализуется последовательный процесс инженерной разработки изделия, при котором вначале  

разрабатывается проектная конструкторская документация, затем проводится подготовка производства к выпуску опытных образцов изделия. Опытные образцы испытываются, и после этого принимается решение по выпуску серийной конструкторской
документации, после чего проводится технологическая подготовка производства. 
К сожалению, это очень длительный цикл производства продукции. В связи с этим в
настоящее время за рубежом достаточно широко используется параллельная инженерная разработка, которую следует рассматривать как организационно-технический
подход, обеспечивающий интегрированное и в значительной степени одновременное
проектирование как самих изделий, так и процессов их производства. Основоположником данного метода является советский конструктор Василий Гаврилович Грабин. 
Применение этого метода позволило в сжатые сроки перед Великой Отечественной
войной и во время войны наладить выпуск артиллерийских систем. Основа этого подхода заключается в командной работе служб предприятия на всех этапах разработки
изделия, начиная с формирования концепции его разработки. 
Параллельная инженерная разработка имеет ряд преимуществ по сравнению с
последовательной:
– сокращает время выхода продукции на рынок;
– позволяет выполнять проектирование на заданную себестоимость изготовления изделия;
– обеспечивает улучшение качества выпускаемой продукции;
– уменьшает затраты на разработку документации и технологическую подготовку производства. 
В настоящее время для успешной организации параллельной инженерной работы имеются как организационные, так и технические, в том числе технологические, 
препятствия. Тем не менее только интегрированное использование организационных
методов параллельной инженерной разработки в совокупности с использованием технологических методов обеспечения эксплуатационных свойств должно существенно
повысить уровень технологичности вновь проектируемых изделий машиностроения и
объединить процессы разработки конструкторской и технологической документации
в единый взаимонеобходимый процесс. 
Опыт параллельно-последовательной работы применяется на многих фирмах. 
Например, в авиадвигателестроении данный подход применяется на фирме Snecma. 
В России опыт параллельной инженерной разработки в настоящее время на промышленных предприятиях практически не применяется.  
Кроме организационного подхода требуется понимание и алгоритмизация технического процесса конструирования посредством выбора технологических процессов обработки деталей. Именно поэтому требуется разработка теоретических положений по этому направлению. 
Технологические направления параллельной инженерной работы следующие. 
•
Анализ технологичности изделия и его деталей сборочных единиц с позиции изготовления и существующего на конкретном предприятии оборудования. 
•
Расчётное определение технологических условий обработки (режимов резания в
сочетании с геометрией инструмента) с обеспечением заданной точности обработки и качества поверхностного слоя обработанной детали. 
•
Расчётное прогнозирование эксплуатационного свойства детали и изделия в целом
при назначенных методе и технологических условиях обработки:
а) усталостной прочности материала детали;
б) износостойкости обработанной поверхности;
в) контактной жёсткости контактируемых поверхностей;

г) прочности прессовых соединений;
д) коррозионной стойкости поверхностей деталей и др.
Научные разработки, изложенные в данной монографии, в значительной степе
ни помогут решить указанные выше технологические направления параллельной инженерной работы.

Многочисленные варианты выполнения операций механической обработки вы
сокотехнологичных деталей требуют нахождения общих решений вышеуказанной
проблемы, которые не могут быть получены только экспериментальными методами
исследования. Поэтому разработка теоретических решений и на их основе широкое
применение ЭВМ для управления процессом механической обработки с целью обеспечения требуемых характеристик поверхностного слоя и точности обработки, определяющих эксплуатационные свойства деталей машин, имеет большое научное и
практическое значение для технологии машиностроения.

В данной работе излагаются методы расчётного определения технологических

условий обеспечения качества, а также эксплуатационных свойств деталей машин, на
основе расчёта параметров качества поверхностного слоя и точности обработки с
учётом совместного воздействия тепловых и механических явлений процесса резания,
а также положений теории подобия при изучении как процесса резания, так и при определении погрешности обработки и параметров качества поверхностного слоя.

Данная монография является результатом выполненных лично автором, а также

совместно с его учениками (докторами технических наук Непомилуевым В. В.,
Кожиной Т. Д., Киселевым Э. В., кандидатами технических наук Шаровой Т. В.,
Бакуниной Т. А., Тимофеевым М. В., Прокофьевым М. А., Водолагиным А. Л., Пудовым А. В., Волковым С. А., Клейменовым В. В., Сутягиным А. Н., Сухим Д. С., Головановым Д. С., Дмитриевой М. Н., Урядовым С. А., Фоменко Р. Н., Виноградовой Н. В.,
Шеховцевой Е. В., Константиновым А. В., Любимовым Р. В., Осадчим Н. В., Кордюковым А. В., Станкевичем С. А., Федуловым В. М., Басковым М. В., Чумак П. В. и др.),
научных работ, которые стали возможны благодаря научным исследованиям доктора
технических наук, профессора Силина С. С., с которым судьба позволила автору монографии работать вместе в течение длительного периода времени.

Автор выражает благодарность ведущему инженеру Липовкиной Н. Ю. за ком
пьютерную обработку текста данной монографии.

ГЛАВА  1 

ВЛИЯНИЕ  КАЧЕСТВА  МАТЕРИАЛА  ПОВЕРХНОСТНОГО  

СЛОЯ  НА  ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ  СВОЙСТВА  
ОСОБО  ОТВЕТСТВЕННЫХ  ДЕТАЛЕЙ  МАШИН

Влияние параметров качества поверхностного слоя на эксплуатационные свойства деталей машин в достаточной степени изучено с учётом шероховатости поверхности, остаточных напряжений, степени и глубины наклёпа в поверхностном слое детали. Тем не менее в литературе встречаются различные мнения о степени влияния
шероховатости поверхности, остаточных напряжений, степени и глубины наклёпа материала в поверхностном слое на характеристики усталости и другие эксплуатационные свойства деталей машин. Имеются рекомендации, которыми можно пользоваться
в производственных условиях. Так, в соответствии с исследованиями профессора Сулимы А. М. выносливость жаропрочных сплавов при рабочих температурах и высокочастотном нагружении существенно зависит от шероховатости поверхности. Им
установлено, что увеличение шероховатости поверхности Rz с 0,05 мкм до 2,0 мкм
снижает усталостную прочность на 13,3 %. Снижение сопротивления усталости материала деталей после шлифования, когда микронеровности направлены перпендикулярно к оси образца, в 1,5 раза больше, чем при микронеровностях, расположенных
вдоль оси образца при одинаковых значениях шероховатости. Таким образом, важна
не только высота неровностей и их форма, но и расположение неровностей на поверхности деталей по отношению к прилагаемой нагрузке [43]. 
Единого мнения о влиянии наклёпа на циклическую прочность также не установлено. По данным профессора Кудрявцева И. В. и профессора Одинга И. А. сквозной наклёп вызывает повышение предела выносливости материала детали. Исследованиями Сулимы А. М. и других установлено, что влияние наклёпа в поверхностном
слое детали на прочность жаропрочных сплавов двойственно:
– при работе деталей в области сравнительно низких температур и при относительно небольшом ресурсе эксплуатации наклёп поверхностей деталей повышает сопротивление жаропрочных сплавов разрушению, что связано с повышением сопротивления материала отрыву в результате структурных изменений под влиянием пластической деформации;
– с повышением температуры эксплуатации и с увеличением длительности ресурса эксплуатации наклёп поверхностного слоя детали способствует интенсификации процессов изменения состава материала в результате окисления, выгорания и испарения легирующих элементов, что может приводить к охрупчиванию и потере жаропрочности. Считается, что для деталей из жаропрочных сталей и сплавов, работающих при высоких температурах, желателен поверхностный слой без наклёпа или с
весьма незначительным наклёпом, который должен устанавливаться в зависимости от
рабочей температуры. 
Влияние остаточных напряжений на выносливость материала деталей объясняется механизмом усталостного разрушения, в основе которого лежит образование и
развитие в процессе циклического нагружения микротрещин усталости. При этом поверхностно-активные вещества, проникающие внутрь микротрещин, способствуют
развитию последних, расклинивая в процессе деформации их стенки. Факторы, способствующие процессу образования микротрещин и облегчающие их дальнейшее
развитие, будут снижать предел усталости материала поверхностного слоя детали, 

а факторы, затрудняющие образование трещин и замедляющие их развитие, будут
способствовать возрастанию выносливости материала деталей. К факторам, затрудняющим образование микротрещин, относятся остаточные напряжения сжатия в поверхностном слое, которые, слагаясь с действующими внешними напряжениями,
уменьшают циклические растягивающие напряжения. В противоположность сжимающим, растягивающие остаточные напряжения, складываясь с действующими
циклически прикладываемыми растягивающими напряжениями, ускоряют образование трещин в поверхностном слое и снижают предел усталости материала детали.
Оценить степень влияния остаточных напряжений в поверхностном слое на сопротивление усталости материала детали наряду с другими параметрами качества поверхностного слоя трудно, так как они изменяются по величине в процессе работы.
Тем не менее, установлено, что влияние остаточных напряжений на сопротивление
усталости преобладает для металлов высокой прочности, а влияние наклёпа материала детали – для металлов низкой прочности.
Характер влияния остаточных напряжений в поверхностном слое, глубины и
степени наклёпа на усталостную прочность материала детали зависит от технологии
изготовления детали. Исследованиями профессора Кравченко Б. А. установлено, что
при обработке детали из пластичного материала на обработанной поверхности возникают растягивающие остаточные напряжения, при обработке детали из хрупкого материала – сжимающие [25]. Предварительное деформирование упрочняет материал,
снижая его пластические свойства, поэтому при обработке детали из материала в упрочненном состоянии формируются растягивающие остаточные напряжения небольшой величины и на некоторой глубине они переходят в сжимающие, что должно повышать предел выносливости материала детали. С целью подтверждения этого были
выполнены исследования на трёх партиях образцов из нормализованной стали
IXI8H9T. Поверхности всех образцов окончательно протачивались (скорость резания
v = 15 м/мин; глубина резания t = 0,1 мм; подача S = 0,05 мм/об), а затем полировались абразивной шкуркой. Первая партия была изготовлена из недеформированного
материала. Образцы второй партии после изготовления деформировались с относительным удлинением 20 %, а образцы третьей партии изготовлялись из прутков,
предварительно деформированных удлинением до 20 %. В поверхностном слое
первой
партии
сформировались
растягивающие
остаточные
напряжения
σо max = 230 МПа.
Во
втором
случае
остаточные
напряжения
снизились
до
σо max = 80 МПа, а в третьем случае остаточные напряжения сжатия составили
σо max = – 300 МПа (рис. 1.1).
Испытания показали, что наибольший предел выносливости материала у образцов, изготовленных из предварительно деформированных прутков, в поверхностном слое которых напряжения являются сжимающими. Наблюдаемое увеличение
предела выносливости материала в образцах, предварительно деформированных, связано с одновременным воздействием остаточных напряжений сжатия и наклёпа.
Для выявления влияния на предел выносливости материала образца только наклёпа материала поверхности путем анодного растворения был снят поверхностный
слой со всех образцов толщиной 200 мкм, т. е. практически остаточные напряжения
полностью удалялись. Испытания таких образцов на усталость (после полирования)
показали, что для недеформированных образцов предел усталости материала повышается по сравнению с образцами неполированными. Последнее объясняется устранением вредного влияния растягивающих остаточных напряжений. Это же наблюдается и для образцов, деформированных после точения. Полированные образцы, изготовленные из прутков, предварительно деформированных растяжением, показали

снижение предела выносливости материала, что связано с устранением влияния полезных остаточных напряжений сжатия. 
Исследование влияния технологии изготовления на предел выносливости материала образцов показало, что наклёпанные образцы после точения имеют предел выносливости материала σ–1 = 375 МПа, а ненаклёпанные – σ–1 = 355 МПа. Увеличение
предела выносливости вследствие упрочнения составляет 5,7 %. При одновременном
воздействии наклёпа и остаточных напряжений аналогичное сопоставление даёт
18,2 %, т. е. изменение предела выносливости за счёт действия только остаточных напряжений составляет 12,5 %. Таким образом, доля влияния остаточных напряжений
на предел усталости материала составляет 69 %, а наклёпа – 31 %. 

1

2

3

0        25      50      75     100     125     150     ΔQ, мкм

σо,
МПа

100

0

– 100

– 200

– 300

Рис. 1.1. Эпюры распределения осевых остаточных напряжений σо  
в поверхностном слое образцов из стали 1Х18Н9Т: 1 – недеформированные  
образцы; 2 – деформированные образцы  до δ = 20 %  после изготовления;  
3 – деформированные образцы до δ = 20 %  до изготовления; ΔQ – глубина  
рассматриваемого слоя от поверхности  

Исследованиями профессора Маталина А. А. установлено, что остаточные напряжения, наклёп и шероховатость поверхности изменяют усталостную прочность в
соотношении 1,5 × 1,25 × 1,03. Согласно исследованиям Сулимы А. М. влияние шероховатости поверхности и глубины наклёпа материала поверхностного слоя на сопротивление усталости более значительное, и в ряде случаев наклёп снижает выносливость. Однако, известно, что упрочняющая технология повышает предел выносливости материала деталей. Кажущееся противоречие объясняется тем, что при упрочнении наводятся благоприятные остаточные напряжения, которые своим положительным влиянием перекрывают вредное действие наклёпа. В соответствии с исследованиями Сулимы А. М. относительная значимость каждого из параметров качества
поверхностного слоя в снижении сопротивления усталости материала образцов после
шлифования составляет: шероховатости поверхности до 50 – 70 %, наклёпа поверхностного слоя 25 – 45 %, технологических остаточных макронапряжений до 5 – 15 %. 
При этом, усталостная прочность жаропрочных сталей и сплавов при рабочих температурах и высокочастотном нагружении существенно зависит от шероховатости поверхности, глубины и степени наклёпа в поверхностном слое. Остаточные напряжения в условиях высоких температур релаксируются и практически не оказывают
влияния на усталостную прочность, однако в условиях низких температур их влияние
существенно. Деформационное упрочнение поверхностного слоя после обработки
режущим инструментом снижает усталостную прочность материалов деталей из жаропрочных материалов при повышенных температурах. Если рассматривать влияние