Обработка резанием полимерных композиционных материалов

 

Московский государственный технический университет  
имени Н.Э. Баумана 

В.М. Ярославцев 
 
Обработка резанием  
полимерных  
композиционных 
материалов 
 
Рекомендовано Учебно-методическим объединением вузов  
по университетскому политехническому образованию  
в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по направлению подготовки дипломированных  
специалистов «Машиностроение» 
 
 

 
 
 

М о с к в а  

Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 

2 0 1 2  

 

УДК 621.91:620.22-419(075.8) 
ББК 34.63 
 Я76 
Рецензенты: Ю.Ф. Назаров, М.А. Комков 

 
Ярославцев В.М. 
  
 
        Обработка резанием полимерных композиционных материалов : 
учеб. пособие / В.М. Ярославцев. — М. : Изд-во 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012. — 180, [4] с. : ил.  

ISBN 978-5-7038-3587-6 

В учебном пособии представлены основы обработки резанием 
полимерных композиционных материалов (ПКМ). Оно содержит сведения 
о составе и конструкционных свойствах композиционных материалов (
КМ), технологических методах получения заготовок изделий 
из КМ, физических основах обработки ПКМ резанием, 
технологиях обработки и реновации изделий из ПКМ, инновационных 
технологиях обработки КМ, а также справочные материалы, не-
обходимые при выборе режимов резания. Особое внимание уделено 
новым и перспективным методам обработки.  
Учебное пособие разработано в полном соответствии с програм-
мой дисциплины «Перспективные технологии реновации». 
Для студентов машиностроительных и приборостроительных 
специальностей технических вузов. 
УДК 621.91:620.22-419(075.8) 
ББК 34.63 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ISBN 978-5-7038-3587-6  
 
 
     © МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012 

 Я76 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Перспективы развития новой техники в настоящее время 
связывают с широким применением композиционных мате-
риалов (КМ), уникальность свойств которых позволяет во 
многих случаях значительно повысить эксплуатационные 
характеристики конструкций изделий, а также снизить тру-
доемкость и материалоемкость их изготовления, что способ-
ствует росту конкурентоспособности российских товаров на 
мировом рынке. Реализация конструкционных свойств, за-
ложенных в КМ, во многом зависит от степени гарантиро-
ванного обеспечения качества изделий на этапе их обработки 
резанием. 
В учебном пособии наряду с традиционными методами об-
работки резанием КМ представлен ряд нетрадиционных высо-
коэффективных технологий, разработанных в МГТУ (МВТУ) 
им. Н.Э. Баумана. Имеются в виду следующие технологические 
методы: резание с дополнительным технологическим покрыти-
ем; метод высокоскоростного резания полимерных КМ (ПКМ); 
метод резания с предразрушением срезаемого слоя; с замороз-
кой; метод широких срезов; метод резания с целенаправленным 
изменением напряженно-деформированного состояния в зоне 
резания; методы терморезания; метод термомеханической об-
работки ПКМ и др. В пособии содержатся практические реко-
мендации по выбору рациональных условий обработки КМ, 
представлен разнообразный по содержанию и большой по объ-
ему справочный материал (52 таблицы приложения). Даны об-
щие подходы к решению производственных задач, связанных с 
повышением производительности обработки, обеспечением 
качества изделий, увеличением периода стойкости режущего 
инструмента, реновацией объектов на основе использования 

новых технологических процессов, приведены примеры реше-
ния таких задач. 
Материал учебного пособия во многом является обобще-
нием результатов научно-исследовательских, теоретических, 
конструкторских работ, выполненных в МГТУ им. Н.Э. Баумана 
и внедренных в промышленность по заказу предприятий 
аэрокосмической и оборонной техники. Представления о 
сущности и технологических возможностях ряда рассмотренных 
ниже методов обработки ПКМ как инновационных 
изложены в справочном издании «Машиностроение. Энциклопедия. 
Т. III-3: Технология изготовления деталей машин / 
А.М. Дальский, А.Г. Суслов, Ю.Ф. Назаров и др. М.: Машиностроение, 
2000. 840 с.».  
Предлагаемое пособие направлено на улучшение технологической 
подготовки выпускников МГТУ им. Н.Э. Баумана 
разного уровня — бакалавров, магистров, специалистов 
по различным направлениям обучения: конструктор, технолог, 
испытатель, — которым в ближайшем будущем предстоит 
заниматься модернизацией промышленного производства 
на основе использования инновационных технологий, в 
том числе и в области обработки КМ. Новизна материала, 
изложенного в учебном пособии, может представлять интерес 
для аспирантов и работников промышленности, имеющих 
отношение к изготовлению изделий из КМ. 
Учебное пособие «Обработка резанием полимерных композиционных 
материалов» предназначено для студентов, обучающихся 
по специальности «Реновация объектов и средств 
материального производства». Оно может быть использовано 
при самостоятельной работе по изучению дисциплины «Перспективные 
технологии реновации», при проведении семинарских 
занятий, выполнении лабораторных работ, домашних 
заданий, курсовых и дипломных проектов, КНИРС. Пособие 
также может быть рекомендовано студентам, обучающимся 
по специальности «Технология ракетных и аэрокосмических 
конструкций из композиционных материалов». 

ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ  
И УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 

АСБ 
— алмаз синтетический (бáллас) 
АСПК — алмаз синтетический поликристаллический  
(карбонадо) 
ГКМ — гибридный композиционный материал 
ДТП 
— дополнительное технологическое покрытие 
КМ 
— композиционный материал 
МШС — метод широких срезов 
ПКМ — полимерный композиционный материал 
СОЖ — смазочно-охлаждающая жидкость 
СТМ — сверхтвердый материал 
ТВЧ 
— токи высокой частоты 
УУКМ — углерод-углеродный композиционный материал 
 
В 
— ширина фрезерования, мм 
D 
— диаметр режущего инструмента, мм 
Е 
— модуль упругости, Па 
h 
— припуск на обработку, мм 
hз 
— допустимый износ по задней поверхности режущей 
части инструмента, мм 
l 
— глубина сверления 
n 
— частота вращения шпинделя станка, мин–1 
Nэ 
— эффективная мощность, потребляемая при резании, 
кВт 
Px 
— осевая составляющая силы резания, Н 
Pz 
— главная составляющая силы резания, Н 
r 
— радиус при вершине резца, мм 

Ra 
— среднее арифметическое отклонение профиля 
(параметр шероховатости поверхности), мкм 
Rz 
— высота неровностей профиля по 10 точкам (параметр 
шероховатости поверхности), мкм 
S 
— подача, мм/об 
S0 
— подача на один оборот шпинделя, мм/об 
Sz 
— подача на один зуб, мм/зуб 
t 
— глубина резания, мм 
T 
— период стойкости режущего инструмента, мин 
v 
— скорость резания, м/с 
z 
— число зубьев инструмента 
α 
— главный задний угол, град 
α1 
— вспомогательный задний угол, град 
γ 
— передний угол, град 
ε 
— относительный сдвиг 
Θ 
— температура, °С 
λ 
— угол наклона главной режущей кромки, град 
ξ 
— относительная линейная деформация 
ρ 
— плотность материала, кг/м3 
ϕ 
— главный угол в плане, град 
ϕ1 
— вспомогательный угол в плане, град 
2ϕ 
— двойной угол в плане, град 
ω 
— угол наклона винтовой канавки, град 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ 

Высокопрочные ПКМ за сравнительно небольшой период 
их освоения и применения зарекомендовали себя в качестве 
перспективных конструкционных материалов для изготовле-
ния ответственных изделий машиностроения. В последние 
десятилетия отмечен резко возросший спрос на эти материа-
лы в ряде отраслей промышленности. В отдельных видах 
производства на долю деталей из КМ приходится 20…80 % 
общей массы конструкции. Растущая потребность в КМ и в 
то же время малая изученность процесса резания высоко-
прочных КМ определяют своевременность и актуальность 
обобщения и широкого применения результатов теоретиче-
ских исследований и имеющихся практических наработок в 
области создания нетрадиционных высокоэффективных тех-
нологий обработки изделий из ПКМ. 
Поиск, разработка, исследование и внедрение наукоемких 
технологий, как правило, были связаны с выпуском изделий 
оборонной промышленности. Большинство таких технологий 
разрабатывались под конкретный заказ, и они имели узкую 
объектную направленность. Однако созданные технологии и 
новые методы обработки ПКМ, имеющие высокие технико-
экономические показатели, могут найти эффективное приме-
нение при производстве изделий различного служебного 
назначения. 
Решение выдвинутых в настоящее время задач модерниза-
ции в различных сферах деятельности, в том числе в образо-
вании, медицине, производстве товаров широкого потребле-
ния, напрямую связано с овладением современными знаниями 

и их дальнейшим развитием, и в первую очередь — знаниями 
технологическими. Технология является одной из базовых 
наук, состояние которой во многом определяет качество жиз-
ни человека, его выживаемость как биологического объекта, а 
также сохранность среды обитания. 
В настоящее время в учебной литературе в целом даются 
широкие представления о КМ и методах их первичного фор-
мообразования. В то же время при рассмотрении вопросов 
размерной обработки изделий из КМ специалисты ограничи-
ваются изложением традиционных технологических процес-
сов механической обработки резанием.  
Предлагаемое учебное пособие основано на материалах 
лекций по разделу «Обработка изделий из композиционных 
материалов» дисциплины «Перспективные технологии рено-
вации», читаемой студентам МГТУ им. Н.Э. Баумана. В по-
собии представлены наиболее значимые нетрадиционные 
эффективные технологии и методы размерной обработки 
ПКМ, позволяющие решать комплекс технологических задач 
для обеспечения высоких выходных параметров изделий. 
Знания об инновационных технологиях могут в значительной 
степени способствовать как созданию высокотехнологичных 
разработок, так и их коммерциализации.  
 
 
 
 
 
 
 

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ  
О КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ 

Композиционный материал — это искусственно создан-
ный материал (гетерогенная система), состоящий из двух и 
более разнородных нерастворимых друг в друге и химически 
не реагирующих друг с другом компонентов (фаз), соединен-
ных между собой поверхностными силами. Композиционные 
материалы скомпонованы на основе принципа синергизма 
(взаимопомощи) и по результирующим характеристикам пре-
восходят составляющие их компоненты. Как правило, разли-
чие в свойствах компонентов КМ четко выражено. Одним из 
компонентов КМ является матрица, или связующее, другим — 
арматура, или наполнитель. Связующее выполняет функцию 
дисперсной среды, в которой распределен наполнитель. 
Наполнитель упрочняет связующее и обеспечивает заданную 
жесткость. 
Композиционные материалы находят применение в различ-
ных отраслях промышленности, таких, как космическая и ракет-
ная техника, авиа-, судо-, автомобилестроение и др. В последние 
десятилетия наблюдается тенденция существенного расширения 
сфер использования КМ, а именно освоение производства новых 
изделий из КМ в химической промышленности, сельскохозяй-
ственном машиностроении, станкостроении, на предприятиях 
медицинского, текстильного, нефтяного, газового и радиологи-
ческого оборудования, спортинвентаря. Этому в значительной 
степени способствовали мероприятия по конверсии военных от-
раслей промышленности, а также доступность засекреченных 
ранее технологий изготовления изделий из КМ. 

Повышенный интерес к применению КМ объясняется 
многообразием и уникальностью следующих их конструкци-
онных свойств: 
• высокие удельная прочность (σ/ρ) и жесткость (Е/ρ); 
• низкая плотность (около (1,4…2,1)⋅103 кг/м3); 
• низкая (или высокая) теплопроводность; 
• высокая виброустойчивость (высокий логарифмический 
декремент); 
• высокие электроизоляционные свойства и коррозионная 
стойкость и др. 
Отдельные разновидности КМ могут обеспечивать высо-
кую износостойкость изделия, малый коэффициент трения, 
стойкость к тепловому удару, к воздействию концентриро-
ванных источников излучения энергии (высокоэнтальпийные 
материалы), способны подавлять звуковые колебания, по-
глощать гамма-излучение и выполнять другие функции. 
Основной особенностью КМ является возможность целе-
направленного регулирования их свойств, что позволяет со-
здавать конструкции или отдельные их элементы с заданны-
ми характеристиками, наиболее полно отвечающими всей 
совокупности условий эксплуатации, например, учитывать 
вид и распределение силовых нагрузок или тепловых полей, 
действие агрессивных сред, направленной радиации или из-
лучений энергии и т. п. 
Существенным является и тот факт, что при формообра-
зовании изделий из КМ изготовление материала и изготовле-
ние конструкции совмещены в единый технологический 
процесс, т. е. спроектированная конструкция изготавливается 
одновременно с получением материала, имеющего заданные 
свойства, которые в значительной степени определяются па-
раметрами технологического процесса. 
По типу матрицы различают следующие КМ: 
• с полимерной матрицей; 
• с металлической матрицей;