Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2017, № 11. Часть 1

Министерство образования и науки Российской Федерации 
 
Федеральное государственное бюджетное  
образовательное учреждение высшего образования  
«Тульский государственный университет» 
 

 
 
 
16+ 
ISSN 2071-6168 
 
 
 
 
 
 
 
ИЗВЕСТИЯ  
ТУЛЬСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО 
УНИВЕРСИТЕТА 
 
 
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ 
 
 
Выпуск 11 
 
Часть 1 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Тула 
Издательство ТулГУ 
2017 

УДК 621.86/87                                                                             ISSN 2071-6168 
 
 
Известия Тульского государственного университета. Технические науки.  
Вып. 11: в 3 ч. Ч. 1. Тула: Изд-во ТулГУ, 2017. 324 с.
 
Рассматриваются научно-технические проблемы технологий и оборудования обработки металлов давлением, машиностроения и машиноведения. 
Материалы предназначены для научных работников, преподавателей вузов, студентов и аспирантов, специализирующихся в проблематике 
технических наук. 
 
Редакционный совет 
 
М.В. ГРЯЗЕВ – председатель, В.Д. КУХАРЬ – зам. председателя, 
В.В. ПРЕЙС – главный редактор, А.А. МАЛИКОВ – отв. секретарь, 
И.А. БАТАНИНА, О.И. БОРИСКИН, М.А. БЕРЕСТНЕВ, В.Н. ЕГОРОВ, 
О.Н. ПОНАМОРЕВА, Н.М. КАЧУРИН, В.М. ПЕТРОВИЧЕВ 

 
 
 
Редакционная коллегия 
 
О.И. Борискин (отв. редактор), С.Н. Ларин (зам. отв. редактора), 
Б.С. 
Яковлев 
(отв. 
секретарь), 
И.Л. 
Волчкевич, 
Р.А. 
Ковалев,  
М.Г. Кристаль, А.Д. Маляренко (Республика Беларусь), А.А. Сычугов,  
Б.С. Баласанян (Республика Армения), А.Н. Чуков 
 
 
 
 
 
 
Подписной индекс 27851 
по Объединённому каталогу «Пресса России» 
 
Сборник 
зарегистрирован 
в 
Федеральной    
службе по надзору в сфере связи, информационных 
технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор). 
ПИ № ФС77-61104 от 19 марта 2015 г. 
«Известия Тульского государственного университета» входят в Перечень ведущих научных журналов 
и изданий, выпускаемых в Российской Федерации, в 
которых должны быть опубликованы научные результаты диссертаций на соискание учёной степени доктора 
наук. 
 
© Авторы научных статей, 2017 
© Издательство ТулГУ, 2017 

Технологии и оборудование обработки металлов давлением 
 

 
3

 
 
 
 
 
 
ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ 
ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ 
 
 
К 60-летию со дня рождения  
доктора технических наук, профессора 
Яковлева Сергея Сергеевича 
 
ЭТАПЫ ЖИЗНЕННОГО ПУТИ 
 

Яковлев Сергей Сергеевич родился 

8 декабря 1957 года в г. Артемовск Донецкой области в семье молодых специалистов, 
которые прибыли по распределению на завод «Победа труда» после окончания Ростовского государственного университета, а 
затем были переведены в г. Краматорск, где 
работали в филиале «ЦНИИТМАШ». С 1963 
года семья проживала в г. Тула. 
 
После окончания средней школы № 19  г. Тула в 1975 году поступил в Тульский политехнический институт, который с отличием окончил в 
1980 году. Затем был направлен в Тульский проектно-конструкторский  
технологический институт комбайностроения (ПРОЕКТИН). В 1980 году 
поступил в очную аспирантуру при МВТУ им. Н.Э. Баумана под руководством доктора технических наук, профессора Е.А. Попова. В 1983 году 
защитил кандидатскую диссертацию на тему «Комбинированная вытяжка 
анизотропного материала» по специальности 05.03.05 «Технологии и машины обработки давлением». 
С 1983 года работал в Тульском политехническом институте (впоследствии Тульский государственный университет) ассистентом, доцентом 
кафедры «Проектирование и производство элементов», профессором  
кафедры «Механика пластического формоизменения». 
В 1992 году поступил в докторантуру Тульского государственного 
университета (научный консультант – доктор физико-математических наук, профессор, заслуженный деятель науки и техники СССР Л.А. Толоконников). В 1994 году защитил докторскую диссертацию на тему «Теория 

Известия ТулГУ. Технические науки. 2017. Вып. 11. Ч. 1 
 

 
4

процессов листовой штамповки анизотропных заготовок» по специальности 05.03.05 «Технологии и машины обработки давлением», а в 1996 году 
его утвердили в ученом звании профессора. 
Доктор технических наук, профессор С.С. Яковлев с 2004 года работал в должности заведующего кафедрой «Механика пластического формоизменения». Являлся руководителем научной школы «Теория и технология формоизменения изотропных и анизотропных упрочняющихся материалов при различных термомеханических режимах в процессах обработки 
давлением». Основное направление его научной деятельности – разработка 
обобщенных математических моделей пластического деформирования с 
учетом реальных механических свойств материала заготовки (неоднородность, анизотропия механических свойств, упрочнение, вязкие свойства 
материала), методов анализа и расчетов процессов формообразования при 
различных температурно-скоростных режимах обработки, которые использованы при разработке новых технологических процессов изготовления изделий специального назначения, обеспечивающих уменьшение трудоемкости изготовления, повышение прочности деталей; уменьшение металлоемкости заготовок; сокращение сроков подготовки производства новых изделий.  
Научная и практическая ценность выполненных работ позволила 
значительно усовершенствовать учебный процесс и провести солидную 
подготовку научных кадров через аспирантуру и докторантуру. 
Достижения кафедры под руководством С.С. Яковлева неоднократно демонстрировались на различных выставках и презентациях, таких, например, как Региональная выставка-ярмарка «Дни Тульской области в Москве» – Выставочный комплекс в Сокольниках; Межрегиональная выставка-ярмарка конкурентоспособных проектов и разработок «Наследники Демидовых» (г. Тула); Лейпцигская ярмарка, международные салоны изобретений, новой техники и товаров, международные выставки «Высокие технологии. Инновации. Инвестиции», Всемирный Салон инноваций «Брюссель-Эврика», Российская молодежная научная и инженерная выставка с 
международным участием, Всероссийская научная конференция молодых 
исследователей в рамках Всероссийского научного форума молодых исследователей «Шаг в будущее», Московский международный Салон изобретений и инновационных технологий «Архимед»  и др. 
Несмотря на известные трудности в сфере высшего образования, 
кафедра под руководством С.С. Яковлева сохранила свой научный потенциал. 
Благодаря научным связям Сергея Сергеевича Яковлева кафедра 
активно сотрудничала с целым рядом предприятий: ОАО «НПО 
«СПЛАВ», ОАО «КБП», ОАО «ЦКБА», ОАО «ТНИТИ», ОАО «Корпорация «Тактическое ракетное вооружение», РКК «Энергия» им. С.П. Королева», ОАО «ГНПП Техномаш», ОАО «НПО им. С.А. Лавочкина», ОАО 
«Государственный космический научно-производственный центр им. М.В. 

Технологии и оборудование обработки металлов давлением 
 

 
5

Хруничева», ОАО «НПО машиностроения», НПО «Энергомаш»; с рядом 
машиностроительных заводов: ОАО «Штамп», Машзаводом им. В.М. Рябикова, ОАО «НПО «Базальт», с вузами страны: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 
МГТУ «МАМИ», Санкт-Петербургским государственным университетом, 
Балтийским техническим университетом "Военмех", МГТУ «СТАНКИН», 
Южно-Уральским государственным университетом, Магнитогорским государственным техническим университетом им. Г.И. Носова,  Московским 
государственным институтом стали и сплавов (техническим университетом), ОрелГТУ, Чувашским госуниверситетом, МГТУ «МАИ», Самарским 
аэрокосмическим университетом, Липецким ГТУ и др. 
Яковлевым Сергеем Сергеевичем были опубликованы свыше 400 
научных статей, 20 монографий, справочник, 2 учебника с грифом Минобразования Российской Федерации, 20 учебных пособий с грифом УМО 
Минобразования Российской Федерации, получены 10 патентов на изобретения. 
Яковлев С.С. руководил аспирантурой и докторантурой. Под его 
научным руководством и при консультации выполнены и защищены 9 
докторских и 48 кандидатских диссертационных работ по специальностям 
05.02.09 «Технологии и машины обработки давлением» и 01.02.04 «Механика деформируемого твердого тела». 
Результаты его научных исследований отмечены рядом государственных, всероссийских и региональных премий в области науки и техники. 
В 1998 году в составе творческого коллектива присуждена Государственная премия РФ в области науки и техники за разработку научных основ и 
ресурсосберегающих процессов деформирования при изготовлении изделия машиностроения с высокими техническими требованиями, в 2006 году 
– премия Правительства Российской Федерации в области науки и техники 
за разработку комплекса технологий и научное обеспечение производственных процессов пластического формообразования особо ответственных 
деталей машиностроения из высокопрочных анизотропных материалов, а в 
2011 году – премия Правительства Российской Федерации в области образования за создание научно-учебно-педагогического комплекса по подготовке кадров высшей квалификации в области инновационных и высоких 
технологий обработки металлов давлением, оказавшего эффективное 
влияние на развитие системы образования Российской Федерации. 
По результатам научно-исследовательской работы он трижды удостаивался звания лауреата премии им. С.И. Мосина (2002, 2006, 2010 гг.) в 
области разработок военной техники, технологии и оборудования, имеющих двойное применение. За большие достижения в области развития экономики России ему была присуждена премия имени А.Н. Косыгина  
(2005 г.) и премия Тульской области в области науки и техники имени академика Б.С. Стечкина (2006 г.).  

Известия ТулГУ. Технические науки. 2017. Вып. 11. Ч. 1 
 

 
6

В 2001 году Сергей Сергеевич Яковлев избран академиком Академии проблем качества РФ, отделение «Заготовительные производства». 
Награжден нагрудным знаком «Почетный работник высшего профессионального образования Российской Федерации» (2007 г.), Благодарственным письмом Тульской областной Думы (2007 г.), Почетным знаком 
«За заслуги перед университетом» (2007 г.) и Юбилейной медалью за 
большой вклад в создание ракетно-космической техники «100 лет со дня 
рождения С.П. Королева» (2007 г.), Почетным знаком Союза научных и 
инженерных общественных объединений Тульской области (2012 г.), 
Юбилейной медалью «300-летие начала Государственного оружейного 
производства в г. Туле» (2012 г.), Почетной грамотой Тульской областной 
Думы (2012 г.). 
В 2014 году указом Президента РФ ему присвоено почетное  звание 
«Заслуженный работник высшей школы Российской Федерации». 
Память о деятельности С.С. Яковлева увековечена решением Тульской городской думы (39-е заседание от 28.06.2017 №39/967): «Установить 
мемориальную доску заслуженному работнику высшей школы РФ, доктору технических наук Сергею Сергеевичу Яковлеву на здании по адресу:  
г. Тула, пр. Ленина, д. 84, корп. 4 с текстом следующего содержания: 
«Яковлев Сергей Сергеевич 08.12.1957 – 05.12.2015, заслуженный работник высшей школы РФ, лауреат Государственной премии РФ и премий 
Правительства РФ в области образования, науки и техники, доктор технических наук, профессор». 
 
Список литературы 
 
1. Яковлев С.П. 65 лет кафедре «Механика пластического формоизменения» Тульского государственного университета // Заготовительные 
производства (Кузнечно-штамповочное, литейное и другие производства). 
2004. № 10. С. 21 – 24. 
2. Яковлев С.П. К 65-летию кафедры «Механика пластического 
формоизменения» Тульского государственного университета // Кузнечноштамповочное производство. Обработка материалов давлением. 2005. № 1. 
С. 3 – 9. 
3. Яковлев С.С., Яковлев С.П. 70 лет кафедре «Механика пластического формоизменения» Тульского государственного университета // Заготовительные производства в машиностроении (Кузнечно-штамповочное, 
литейное и другие производства). 2009. №11. С. 14 – 15. 
 
Ректор ТулГУ М.В. Грязев, 
проректор по научной работе ТулГУ В.Д. Кухарь, 
директор Политехнического института ТулГУ О.И. Борискин, 
зав. кафедрой «Механика пластического формоизменения» С.Н. Ларин 

Технологии и оборудование обработки металлов давлением 
 

 
7

УДК 621.777.04 
 
ОПТИМИЗАЦИЯ ФОРМЫ ПУАНСОНОВ ДЛЯ ХОЛОДНОГО 
ВЫДАВЛИВАНИЯ СТУПЕНЧАТЫХ ПОЛОСТЕЙ СТАКАНОВ  
ИЗ МАЛОПЛАСТИЧНЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ 
 
А.М. Дмитриев, Н.В. Коробова,  М.А. Горбаченко  
 
Показано преимущество изготовления полых деталей со ступенчатыми полостями выдавливанием пуансонами, имеющими ступенчатую форму, соответствующую форме выдавливаемой полости заготовки. Рассмотрено влияние формы рабочей части пуансона на макроструктуру изготовленных холодным выдавливанием  
штампованных заготовок машиностроительных деталей из алюминиевого сплава Д1. 
В результате выявлена оптимальная форма пуансона. 
Ключевые слова: детали со ступенчатыми полостями, сплавы алюминиевые 
труднодеформируемые, выдавливание холодное однооперационное, оптимизация формы пуансонов, качество деталей. 
 
С развитием мехатроники меняется понятие автоматизации произ
водственных процессов. Тем не менее, одним из наиболее радикальных путей автоматизации остается создание малооперационных  технологий. В 
первую очередь, это относится к крупносерийному производству.  В движении по такому пути преимущество перед другими технологическими 
процессами имеет холодная объемная штамповка. 

В машиностроении широкое применение находят цилиндрические 

детали, имеющие ступенчатые полости. Часто это детали, изготовлены из 
легких сплавов, например, алюминиевого сплава Д1 (рис. 1). Производство таких деталей реализуют с применением операции холодного выдавливания из 
сплошной цилиндрической заготовки. Такое производство обеспечивает более 
высокие прочность и износостойкость деталей рассматриваемого типа, чем 
при изготовлении их резанием из прутка [1, 2].  

Рис. 1. Меридиональный разрез заготовки детали со ступенчатой  
полостью из сплава Д1, изготовленной холодным выдавливанием  

Известия ТулГУ. Технические науки. 2017. Вып. 11. Ч. 1 
 

 
8

Это объясняется отсутствием перерезывания волокон, которые в мак
роструктуре прутка расположены продольно.  При изготовлении детали холодным выдавливанием металл огибает деформирующий его инструмент, и 
макроструктура выдавливаемой заготовки имеет вид,  приведенный на рис. 2. 
На рис. 2 видно, что металл при выдавливании меняет направление 
своего течения в стенку стакана. Вследствие этого под торцом ступени пуансона имеют место встречные потоки металла.  
 

Рис. 2. Макроструктура показанной на рис. 1 заготовки  

детали  на этапе ее  выдавливания 

В описанном ниже эксперименте выдавливание заготовок рассматри
ваемых деталей осуществлялось в лабораторном штампе по схеме, приведенной на рис. 3. 

Рис. 3. Схема выдавливания в «плавающей» матрице:  

1 – пуансон; 2 – исходная заготовка; 3 – матрица;  4 –  выталкиватель 

 
Выдавливание проводили на гидравлической испытательной машине фирмы «Инстрон». Диаметр матрицы составлял 20 мм. Заготовка в матрице опиралась на выталкиватель, матрица была освобождена от крепле

Технологии и оборудование обработки металлов давлением 
 

 
9

ния в осевом направлении. Под действием силы трения матрица поднималась со скоростью vм вслед за вытекающим из-под пуансона со скоростью 
vисдеформируемым материалом, что снижало контактное трение и силу 
выдавливания [3, 4]. 

Заготовка детали со ступенчатой полостью, пример которой приведен 

на рис. 1, может быть изготовлена поэтапным выдавливанием каждого из участков полости пуансоном соответствующего диаметра (как показано на рис. 3). 
При этом количество операций выдавливания будет совпадать с количеством 
участков полости, имеющих разные диаметры. 

Другим вариантом является выдавливание пуансоном, имеющим фор
му, совпадающую с формой полости изготавливаемой детали (рис. 4). При 
этом выдавливание осуществляется за один переход. 

Рис. 4. Схема операции выдавливания ступенчатым пуансоном  

и обозначения размеров детали 

При явном на первый взгляд преимуществе второго варианта он имеет 

недостаток, связанный с пониженным сопротивлением ступенчатых пуансонов усталости (их долговечности) по сравнению с пуансонами, имеющими 
рабочую часть одного диаметра. Поэтому сопоставление рассматриваемых 
двух вариантов технологического процесса целесообразно проводить с технико-экономических позиций с учетом количества задействованного производственного оборудования, занятых площадей, количества обслуживающего их 
персонала, стоимости пуансонов и т.п. При этом рассчитывают напряженное 
состояние гладких и ступенчатого пуансонов при выдавливании и оценивают 
их сопротивление усталости [4, 5].  

В то же время сопоставить процессы можно, не прибегая к экономиче
ским оценкам, если чертежом детали заданы очень жесткие требования к соосности между собой участков полости, имеющих разные диаметры. Удовлетворить высокие требования к  соосности участков полости позволяет только 
выдавливание ступенчатым пуансоном. 

Известия ТулГУ. Технические науки. 2017. Вып. 11. Ч. 1 
 

 
10

В предлагаемой статье основное внимание сосредоточено на обеспече
нии  качества выдавливаемой детали, а нагрузке на ступенчатый пуансон и 
связанным с этой нагрузкой сопротивлением пуансона усталости при выдавливании уделено меньшее внимание, поскольку есть работа [5]. 

Однако такое внимание все-таки уделено, поскольку вопрос оптималь
ности формы пуансона решается по совокупности отсутствия трещинообразования в заготовке при наименьшей силе выдавливания. 
Ниже будем использовать относительные размеры выдавливающего 
полость в заготовке  пуансона (см. рис. 4): относительный радиус матрицы 

0

1
1
r
R
R =
 и  относительный радиус  ступени пуансона 

0

1
1
r
r
r =
,  а также от
носительный радиус 

0

2
2
r
r
r =
галтели и относительную длину 

0r
l
l =
участка 

пуансона до ступени. Размеры с чертой сверху показаны на рис. 4. 
При выдавливании заготовок из алюминиевого сплава Д1, не обладающего высокой пластичностью, по границе застойной зоны под ступенью  в заготовке может образоваться трещина (рис. 5). 
 

 
 
Рис. 5. Наметившаяся под  ступенью пуансона трещина, связанная  
с высокой интенсивностью течения металла на границе застойной 
 зоны; заготовка с размерами R = 2, r1 = 1,6, l = 2 
 
Указанная трещина образуется при небольших величинах r2 (небольшой ширине ступени пуансона).При широкой ступени образования 
трещины не наблюдается (рис. 6). 
При малой величине r2 вероятность появления трещины под ступенью пуансона зависит от величины среднего напряжения (так называемого, гидростатического давления) в деформируемой заготовке ниже ступени 
пуансона. Выдавливание заготовок из алюминиевого сплава Д1 при изменении радиусов инструмента R в пределах от 1,25 до 3,3 и r1 от 1,1 до 2,6 
показало, что при r1 = 2,3 отсутствие трещины определяется условием R –