Основы расчетов процессов получения длинномерных металлоизделий методами обработки металлов давлением

Министерство образования и науки Российской Федерации 
 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
 
Н. Н. Загиров 
И. Л. Константинов 
Е. В. Иванов 
 
 
ОСНОВЫ  РАСЧЕТОВ  ПРОЦЕССОВ  ПОЛУЧЕНИЯ  
ДЛИННОМЕРНЫХ  МЕТАЛЛОИЗДЕЛИЙ  МЕТОДАМИ  
ОБРАБОТКИ  МЕТАЛЛОВ  ДАВЛЕНИЕМ 
 
 
Допущено Учебно-методическим объединением по образованию в области металлургии в качестве учебного пособия для студентов высших 
учебных заведений, обучающихся по направлению 150100 «Металлургия», 
11.12.2009 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск 
СФУ 
2011 

УДК 621.88(07) 
ББК  34.8я73 
3-14 
 
 
 
Рецензенты: 
В. Г. Шеркунов, доктор технических наук, профессор заведующий 
кафедрой «Машины и технологии обработки материалов давлением» 
Южно-Уральского университета;  
Р. И. Галиев, кандидат технических наук, доцент директор прокатного завода «Алюком» 
 
 
 
 
 
Загиров, Н. Н. 
3-14 
 
Основы расчетов процессов получения длинномерных металлоизделий методами обработки металлов давлением: учеб. пособие / Н. Н. Загиров, И. Л. Константинов, Е. В. Иванов. – Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2011. – 312 с. 
ISBN 978-5-7638-2380-6 
 
В учебном пособии изложены вопросы, касающиеся теории и технологии процессов прокатки, прессования и волочения металлов. Рассмотрен порядок технологических расчетов и приведены примеры расчетов получения 
длинномерных изделий методами прокатки, прессования и волочения. 
Предназначено для студентов, обучающихся по программе подготовки 
специалистов 150106.65 «Обработка металлов давлением» и магистров 
150100.68 направления 150100 «Металлургия» укрупненной группы 150000 
«Металлургия, машиностроение и материалообработка». 
 
УДК 621.88(07) 
ББК 34.8я73 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-7638-2380-6                             © Сибирский федеральный университет, 2011 

Введение 

3 

ВВЕДЕНИЕ 
 
 
Обработка металлов давлением (ОМД) является важной стадией 
металлургического производства, обеспечивающей за счет пластической деформации придание слитку или заготовке необходимой формы и размеров. Основные процессы ОМД характеризуются высокой 
производительностью, приводят к улучшению свойств, структуры, 
качества поверхности и повышению точности размеров изделий. 
Важным также является ресурсосберегающий характер способов обработки давлением, т. е. значительно сокращаются потери металла  
в процессе производства по сравнению с другими видами обработки 
металлов, например, литьем и обработкой резанием. 
Виды обработки металлов давлением принято делить на две 
группы: прокатно-прессово-волочительное производство и кузнечноштамповочное производство. К первой группе относят прокатку, 
прессование и волочение (ППВ), с помощью которых получают, как 
правило, длинномерную продукцию, т. е. полуфабрикаты или изделия, длина которых во много раз превышает размеры поперечного сечения. В качестве примера таких изделий можно привести листы, 
ленты, фольгу, трубы, рельсы, балки, профили различных сортаментов – сплошные и пустотелые, проволоку и пр. Виды, составляющие 
первую группу, являются наиболее производительными видами ОМД  
и по объему производства они значительно превышают продукцию 
кузнечно-штамповочного производства. Особенно это относится  
к прокатке, т.к. прокатному производству подвергают приблизительно 80 % всего выплавляемого металла. Например, высокую производительность прокатки можно объяснить и тем, что этот процесс можно вести в непрерывном режиме с очень высокой скоростью. Кроме 
того, данные виды ОМД хорошо сочетаются со средствами механизации и автоматизации. 
Постоянно растущая потребность в длинномерных изделиях, 
объясняет необходимость разработки современных высокопроизводительных, экономичных технологических процессов ППВ. Однако решение этой задачи возможно только на хорошей теоретической подготовке специалистов данного профиля производства. Поэтому в условиях экономической и хозяйственной самостоятельности предприятий  
в характеристике качеств специалиста на первое место выходят образованность, компетентность и профессионализм, которые позволяют 

Введение 

4 

ему мыслить самостоятельно, творчески, свободно ориентироваться  
в непрерывно возникающих проблемах производства, грамотно эксплуатировать оборудование, а также разрабатывать и контролировать 
протекание технологических процессов. 
Каждый из видов ППВ основывается на теоретическом фундаменте. 
Так, теория прокатки базируется в основном на математической теории 
пластичности, механике сплошных сред, теоретической механике, сопротивлении материалов. Разработка основ теории прокатки начата  
в середине XIX века, большой вклад в развитие и становление этой дисциплины внесли труды отечественных ученых: И. А. Тиме, Р. Р. Тонкова, Н. С. Верещагина, А. Ф. Родзевича-Белевича, В. Е. ГрумГржимайло, А. Ф. Головина, И. М. Павлова, С. И. Губкина, А. Я. Хейна, 
А. П. Чекмарева, В. С. Смирнова, И. Я. Тарновского, П. И. Полухина, 
А. А. Королева, Б. П. Бахтинова, А. И. Целикова, Е. С. Рокотяна и многих других. Получили признание исследования зарубежных ученых: 
С. Финка, К. Кодрона, В. Тафеля, Э. Зибеля, Т. Кармана, С. Экелунда, 
В. Тринкса, В. Люега, А. Помпа, А. Надаин, Э. Ороуона, Г. Форда, 
Р. Симса, М. Стоуна, А. Гелеи. 
Теория прокатки приобретает особую роль в общей теории 
ОМД. Прежде всего, конструкторы и технологи должны обоснованно 
и надежно рассчитывать энергосиловые параметры прокатки (усилия, 
моменты, мощность). Для этого необходимо изучать напряженнодеформированное состояние металла при прокатке, сопротивление 
металла пластической деформации, кинематику процесса прокатки, 
закономерности контактного трения и т. п. Особое значение имеет 
определение энергосиловых параметров для повышения точности 
прокатки и автоматизации прокатных станов. Эта проблема важна для 
создания новых высокоскоростных непрерывных станов.  
Теория непрерывной прокатки требует разработки ряда сложных вопросов: учета остаточного упрочнения, точного определения 
опережения, изменение температуры по рабочим клетям и т. д. Многие вопросы теории прокатки изложены в работах А. И. Целикова  
и его учеников. Это книги: «Прокатные станы», «Теория расчета усилий в прокатных станах», «Основы теории прокатки», «Теория прокатки», «Теория продольной прокатки» и др. 
Прессование (экструдирование) как технологический способ 
обработки металлов, стало возможно лишь в XVII веке, когда в значительной степени развились металлургия и машиностроение. Одним из основных стимулов для развития этого процесса послужила 

Введение 

5 

возрастающая в XVII–XVIII веках потребность в трубах для подачи 
жидкостей. Местом первых разработок в этой области стала Англия. 
В России механические устройства для прессования пластичных материалов применяли с XVII века, а первые установки для прессования 
появились в конце XIX века. Сначала это были вертикальные механические прессы для прямого прессования свинцовых прутков и труб. 
Прообразом современных горизонтальных гидропрессов для прямого 
прессования стал пресс конструкции Г. Дика, созданный в Германии  
в 1894–1895 гг. Его появлением положено начало промышленному 
применению прессования меди, медных и алюминиевых сплавов. 
Этот процесс в части областей вытеснил прокатку, механическую обработку и литье. 
С течением времени техника прессового производства совершенствовалась – улучшались конструкции прессов и увеличивались 
их усилия; использовались более совершенные конструкции прессового инструмента и материалы для их изготовления; вовлекались  
в обработку все новые металлы и сплавы, усложнялась форма,  
и улучшалось качество пресс-изделий. 
Развитию прессования в большой степени способствовали теоретические исследования многих российских ученых: П. С. Истомина, 
С. И. Губкина, 
И. Л. Перлина, 
В. В. Жолобова, 
Л. В. Прозорова, 
Л. А. Шофмана, Я. М. Охрименко, Ю. Ф. Шевакина, М. З. Ерманка, 
Г. Я. Гуна, Ю. П. Глебова, А. И. Колпашникова, Л. Г. Степанского и др. 
Волочение – один из наиболее древних способов обработки металлов давлением. Раньше волочения была известна только ковка. 
Волочение зародилось около 3500 лет до н.э. в Древнем Египте. Этот 
способ первоначально использовали для получения проволоки из золота, применяемой для изготовления булавок, браслетов, дужек сосудов и пр. Затем начало развиваться ювелирное дело и понадобилось 
много проволоки из золота и серебра. В начальный период развития 
проволоку протягивали вручную, затем изобрели волочение на катушку. Эти устройства послужили прообразом современных машин 
однократного волочения. Первые многобарабанные станы, предложенные в начале XIX века, имели 2–4 барабана, и приводной вал 
вращался гидравлическим двигателем.  
В 1862 г в Англии построили первый многоклетьевой прокатный стан для непрерывной прокатки стальной проволочной заготовки. Использование такой заготовки для волочения снизило количество переходов волочения, время на заправку и повысило производи

Введение 

6 

тельность процесса. Первые цепные волочильные станы были созданы в начале XIX века. Движение цепей этих станов осуществлялось 
от приводного шкива, соединенного с паровым двигателем.  
В России бурное развитие волочильного производства приходится на 30-е годы ХХ века. Позднее были созданы новые высокомеханизированные станы для прокатки катанки, разработаны и внедрены в промышленность установки совмещенного литья и прокатки 
медной и алюминиевой катанки, а также установки для вытягивания 
проволочной заготовки из расплава, применение которых значительно сокращает длительность технологического цикла, повышает производительность и уменьшает отходы металла.  
В настоящее время волочением изготавливают проволоку практически из всех цветных металлов и сплавов, включая труднодеформируемые сплавы. Разработаны новые материалы для изготовления 
волочильного инструмента и процессы его обработки. Созданы установки для электроэрозионной, ультразвуковой, лазерной разделки  
и доводки канала волоки. Большие достижения достигнуты и в трубоволочильном производстве. Все это стало возможным только на основе теоретических исследований. И в эти исследования большой вклад 
был внесен российскими учеными А. И. Целиковым, И. Л. Перлиным, 
М. З. Ерманком, В. П. Северденко, В. З. Жилкиным, В. Л. Колмогоровым и др. 
В настоящем пособии изложены теоретические основы процессов прокатки, прессования и волочения, являющиеся основой профессиональных знаний будущих специалистов и магистров, которые намерены посвятить себя изучению и дальнейшему совершенствованию 
этих видов ОМД. Авторы пособия поставили задачу на базе основных 
положений механики сплошных сред изложить методы расчета технологических параметров процессов ППВ, объяснить с современных 
позиций вопросы выбора оптимальных условий деформации, которые 
бы обеспечивали протекание данных процессов в условиях максимальной пластичности металлических материалов. Кроме того, новые 
технологические процессы должны минимизировать материальные  
и энергозатраты и одновременно обеспечивать формирование заданной структуры и эксплуатационных свойств изделий. 
Материал пособия разбит на три части, каждая из которых посвящена одному из видов прокатно-прессово-волочильного производства. В конце частей помещены вопросы для самопроверки, а также задачи, решение которых позволит закрепить теоретический материал. 

Глава 1. Прокатка 

7 

Глава 1.  ПРОКАТКА 
 
 
Прокаткой называется процесс деформации металла путем обжатия исходной заготовки между вращающимися валками с целью 
уменьшения поперечного сечения заготовки и придания ей заданной 
формы. Подобно любому виду ОМД прокатное производство базируется на теории прокатки. 
Основными вопросами, рассматриваемыми в теории прокатки, следует называть следующие: 
• изучение и формулирование условий захвата металла валками; 
• определение кинематических параметров процесса прокатки; 
• анализ распределения напряжений и деформаций по объему 
деформируемого тела; 
• определение энергосиловых параметров процесса: усилия 
прокатки, крутящих моментов на валках, расхода работы и мощности. 
В процессе прокатки особую роль играют силы внешнего (контактного) трения, поэтому важной частью теории прокатки является 
изучение сил трения, действующих на контактных поверхностях в зоне деформации. 
Современная теория прокатки интенсивно развивается, опираясь 
на достижения математики, физики, механики сплошной среды, металловедения и других фундаментальных наук. Для решения численных задач и математического моделирования широко применяются 
электронные вычислительные машины. Выводы теории прокатки используются при разработке оптимальных режимов деформации, конструировании оборудования и проектировании прокатных цехов. 
 
 
1.1. Виды прокатки 
 
Широкое применение прокатки объясняется рядом преимуществ 
ее по сравнению с другими видами обработки давлением (прессованием, волочением), а также высокой производительностью этого процесса и меньшей стоимостью получаемых изделий. Прокатка является 
эффективным инструментом для формирования структуры, обеспечивающей повышение эксплуатационных свойств изделий. Поэтому 
существует много схем термомеханической обработки, включающих 
прокатку. 

Глава 1. Прокатка 

8 

 
 
Рис.1.1. Продольная прокатка 
 
 
В настоящее время широко внедряется совмещение обработки 
давлением с литейным производством. Примером может служить высокопроизводительный способ непрерывного литья и прокатки стали 
и сплавов. 
Прокатка, как и любой другой процесс обработки давлением, 
основан на способности материалов пластически деформироваться 
без разрушения. При пластической деформации изменяется не только 
форма и размеры деформированного тела, но и структура материала. 
Процессы прокатки принято классифицировать по разным признакам. 
1. В зависимости от направления обработки различают следующие виды прокатки: продольная, поперечная и поперечно-винтовая 
(или косая). При продольной прокатке (рис. 1.1) деформирование заготовки осуществляется между вращающимися в разную сторону 
валками. 
Поперечная прокатка отличается от продольной тем, что ось 
прокатываемой заготовки, относящейся по форме к типу тел вращения, параллельна оси валков (рис. 1.2). Оба валка 1 вращаются в одну 
и ту же сторону и постепенно сближаются. Изделие 3, диаметр которого при прокатке уменьшается, также вращается, но в противоположную относительно направления вращения валков сторону. В про

Глава 1. Прокатка 

9 

дольном направлении обрабатываемое тело не перемещается (если 
нет специальных тянущих устройств). Боковые ролики 2 выполняют 
вспомогательную функцию по удержанию изделия между валками. 
Такой вид прокатки используют в металлургии и машиностроении 
для изготовления валов, осей, втулок, шестерен и других подобных 
изделий. 
Процесс поперечно-винтовой прокатки (рис. 1.3) широко применяется при производстве бесшовных труб, в частности, на прошивных станах. Сплошную заготовку круглого сечения 4 подают в зазор 
между валками 1, вращающимися в одну сторону. Наклон образующих валков и расположение их в клети под углом друг к другу сообщают заготовке одновременно и поступательное и вращательное 
движение, поэтому каждая точка на поверхности заготовки описывает 
в пространстве винтовую линию (отсюда и название процесса прокатки). Для получения в заготовке отверстия правильной формы между 
валками устанавливается оправка 2, закрепленная на стержне. Линейки 3 служат для удержания заготовки в валках. В результате прокатки 
получают толстостенную гильзу 5. 
 
 

 
 
Рис. 1.2. Поперечная прокатка 

Глава 1. Прокатка 

10 

 
 
Рис. 1.3. Поперечно-винтовая прокатка 
 
 
2. По режиму работы станов прокатка бывает непрерывной и реверсивной. 
3. По состоянию металла различают горячую, теплую и холодную прокатку. 
4. По виду изделия прокатка может быть листовая и сортовая. 
5. Рабочие валки могут быть с гладкой бочкой или с нарезными 
калибрами. Наиболее распространенным является процесс прокатки  
в двух валках. 
6. По схеме действия сил на прокатываемую полосу и на валки, 
условиям на контакте, напряженно-деформированному состоянию  
и скоростным условиям в очаге деформации различают симметричный и асимметричный процессы прокатки. 
Процесс прокатки в двух валках называется симметричным, когда имеется полная аналогия схемы действия сил на прокатываемую 
полосу, условия на контакте, напряженно-деформированного состояния и скоростных условий в зонах обжатия, относящихся к каждому 
из валков. 
Важным условием процесса прокатки является наличие или отсутствие внешних сил, приложенных к концам полосы. По этому признаку различают свободную и  несвободную прокатку. Свободной называют прокатку тогда, когда на полосу действуют силы только со 
стороны валков. Несвободная прокатка осуществляется с натяжением 
или подпором концов полосы (рис. 1.4).