Основы технологических процессов обработки металлов давлением

ОСНОВЫ  
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ 
ПРОЦЕССОВ  
ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ 
ДАВЛЕНИЕМ

И.Л. КонстантИнов
с.Б. сИдеЛьнИКов

Рекомендовано Федеральным государственным  
автономным образовательным учреждением  
высшего профессионального образования  
«Национальный исследовательский технологический университет МИСиС»  
в качестве учебника для студентов высших учебных заведений,  
обучающихся по направлению подготовки бакалавров  
22.03.02 (150400) «Металлургия» (рег. № 5347-07-867 от 19.11.2014 г.)

Москва 
ИНФРА-М 
2018

УчеБнИК

2-е издание, стереотипное

Министерство образования и науки Российской Федерации 
Сибирский федеральный университет

УДК 621.98(075.8)
ББК 34.5я73
 
К65

Константинов И.Л.
Основы технологических процессов обработки металлов давлением : учебник / И.Л. Константинов, С.Б. Сидельников. — 2-е изд., стереотип. — М. : ИНФРА-М, 2018. — 487 с. — (Высшее образование:  
Бакалавриат). — www.dx.doi.org/10.12737/14048.

ISBN 978-5-16-011541-2 (print)
ISBN 978-5-16-103854-3 (online)

Рассмотрены классические и новые методы обработки металлов давлением. Изложенный материал соответствует современному уровню развития 
теории и технологии обработки металлов давлением.
Предназначен для студентов направления подготовки бакалавров 
22.03.02 «Металлургия».

УДК 621.98(075.8)
ББК 34.5я73

К65

Р е ц е н з е н т :
Московский национальный университет НИТУ «МИСиС»

ISBN 978-5-16-011541-2 (print)
ISBN 978-5-16-103854-3 (online)
©  Константинов И.Л.,  
Сидельников С.Б., 2016

Введение 

3 

 
ВВЕДЕНИЕ 
 
 
Обработка металлов давлением является одним из наиболее эффективных способов превращения металлов в изделия, которые используются 
во всех отраслях промышленности и в быту.  
Большинство элементов в периодической системе Менделеева являются металлами – химическими элементами, без которых сложно представить развитие цивилизации. Металлические изделия необходимы во всех 
видах человеческой деятельности: в строительстве, в машиностроении,        
в пищевой промышленности, в сельском хозяйстве и т. д. Людей окружает 
множество металлических вещей, большую часть из которых они используют каждый день. Ножи, посуда, автомобили, самолеты, оборудование         
и многое другое невозможно без применения металлов. 
Особый интерес представляет путь, который проходят металлы, превращаясь из сырья в изделия, используемые в сфере человеческой деятельности. В самородном виде металлы встречаются очень редко, и к ним     
относятся, например, драгоценные металлы золото, серебро, платина, палладий, а также медь. Чистое железо находят в метеоритах, а в основном 
металлы в природе содержатся в виде разнообразных химических соединений – минералов. Поиски минералов ведут геологи. После этого месторождениями, разведанными геологами, начинают заниматься горняки,       
которые добывают металлические руды открытым, если они залегают 
близко к поверхности земли, или закрытым, если руды находятся под землей, способами. Далее руды подвергают обогащению, которое проводится 
для отделения всех ценных минералов от пустой породы, а также взаимного разделения ценных минералов. Затем этими обогащенными минералами 
занимаются металлурги, которые различными способами получают из руд 
металлы. 
Металлургическое производство делят на производство черных            
и цветных металлов.  
Процесс металлургического производства наиболее распространенных металлических материалов – железоуглеродистых сплавов, называемый черной металлургией, заключается в последовательном проведении 
этапов обработки (переделов). Первый передел – получение чугуна из железной руды в доменных печах. Второй передел преследует цель переработать чугун в сталь. Третий передел – это обработка металлов давлением 
для получения металлических полуфабрикатов и изделий заданных форм           

Введение 
 

4 

и размеров, где основными операциями являются прокатка, прессование, 
ковка и штамповка. Четвёртым переделом называется дополнительная обработка деформированных полуфабрикатов – холодная прокатка полосового и листового металла, профилирование полосы (производство гнутых 
профилей), калибровка, волочение, нанесение защитных покрытий, а также 
производство метизов. Последний передел в общем цикле металлургического производства приобретает все большее значение, так как промышленности нужен не просто металл, а разнообразный прокат, пригодный для 
выпуска высококачественных надежных изделий с минимальными издержками. В результате возникают новые виды проката, их разнообразие 
возрастает, все обширнее спектр их технических и физико-химических параметров. Продукция черной металлургии на этой стадии по соблюдению 
размеров и формы, чистоте отделки уже не уступает изделиям точных 
производств. Четвертый передел может служить показателем научнотехнического прогресса государства в металлургии, потому что состояние 
этой стадии и ее возможности наглядно отражают степень проникновения 
инноваций во все стадии металлургического процесса. 
Цветная металлургия производит различные цветные, редкие, тугоплавкие и драгоценные металлы. В качестве наиболее развитых производств можно выделить производство меди, алюминия, никеля, титана, 
вольфрама и молибдена, золота, серебра, платины, палладия и др. цветных 
металлов. 
Помимо обработки давлением для получения металлических изделий 
применяют также различные способы литья и обработку металлов резанием. 
Литье – это простой, высокопроизводительный и дешевый способ 
получения металлической продукции практически из всех металлов               
и сплавов. Литые изделия могут быть как простой, так и очень сложной 
формы, которую, например, имеют изделия, полученные художественным 
литьем. Однако для отливок характерны такие дефекты, как пористость, 
неметаллические включения, крупнозернистая структура. Кроме того,         
в результате неравномерного охлаждения в них возникают значительные 
остаточные напряжения. Поэтому литые детали по уровню механических 
свойств уступают деталям, изготовленным обработкой давлением, и ихне 
применяют в условиях эксплуатации, сопровождающихся значительными 
силовыми нагрузками. 
Обработкой резанием получают разнообразные детали, имеющие 
высокую точность размеров и чистоту поверхности. Но при этом, в масштабах мирового производства, за год в отход в виде стружки идут миллионы тонн металла, а сами эти операции характеризуются сложностью и 
трудоемкостью. Снизить объем металлорежущих операций можно за счет 
использования заготовок, близких по своим размерам к готовым изделиям.  

Введение 

5 

Обработка металлов давлением объединяет указанные способы получения изделий из металлов. Так, в качестве заготовок для обработки 
давлением чаще всего используются отливки. В процессе деформирования 
меняется их структура: измельчается зерно, завариваются поры, устраняется химическая неоднородность (дендритная ликвация) и т. д. Изменения 
литой структуры способствуют улучшению уровня механических свойств: 
повышаются прочность и пластичность металлических заготовок. Кроме 
того, деформированный полуфабрикат становится максимально приближенным к готовой детали по своей форме и размерам, что значительно 
снижает количество отходов при обработке резанием и упрощает технологию этих процессов. 
В ряду инженерных дисциплин обработка металлов давлением наиболее близка к литейному производству и к металловедению. Это закономерно, так как, во-первых, исходными заготовками для обработки давлением чаще всего являются слитки. Во-вторых, обработчики имеют дело          
с металлами, свойства которых определяются их структурой, меняющейся 
в процессе пластической деформации, обычно протекающей при высоких 
температурах.  
Пластическое деформирование осуществляется различными способами, к числу которых относятся прокатка, ковка, горячая и холодная объемная штамповка, прессование, волочение, листовая штамповка и новые 
процессы обработки металлов давлением (см. рисунок). 
 

 
Процессы обработки металлов давлением 
 
В последние годы широкое развитие получили новые процессы, основанные на совмещении разных видов обработки давлением, на комбина

Введение 
 

6 

ции их с литьем и т. д. Эти способы позволяют повысить энергоэффективность и производительность производства, улучшить свойства изделий,            
а также снизить количество отходов. 
Обработка металлов давлением в целом является заготовительной 
базой машиностроения и металлургии, поэтому от ее качественного развития и совершенствования зависит создание мощных энергетических установок, современных летательных аппаратов, автомобилей и грузоподъемных машин, новейшей электронной и космической техники. 

1.1. История развития кузнечно-штамповочного производства 

7 

 
Г л а в а  1 

 
ИСТОРИЯ 
ВОЗНИКНОВЕНИЯ  И  РАЗВИТИЯ 
ПРОЦЕССОВ  ОБРАБОТКИ   
МЕТАЛЛОВ  ДАВЛЕНИЕМ 
 
 
1.1. История развития  
кузнечно-штамповочного производства 
 
Обработку металлов давлением можно отнести к древнейшим человеческим ремеслам, первым из которых являлось кузнечное дело. Так, 
найденные металлические изделия из золота были изготовлены около 
восьми тысяч лет назад. Позднее были обнаружены изделия из самородного серебра и меди, при этом ученые установили, что они были получены 
ковкой. Отметим также, что кузнечное ремесло высоко ценилось в античном мире. Среди олимпийских богов почетное место занимал покровитель 
кузнецов Гефест – сын главного бога Зевса и его жены Геры, который считался богом огня и художественного ремесла. Гефест пользовался уважением в своем окружении, потому что был мастером высочайшего уровня, 
создавшим на Олимпе себе и другим богам дворцы из металла. Легендарный древнегреческий поэт Гомер посвятил много строф своей поэмы 
«Илиада» замечательным творениям этого мастера. 
На Руси кузнечное дело возникло приблизительно в VI веке до н. э. 
Русские кузнецы могли ковать из металла мечи и серпы, топоры и ножи, 
кольчуги и шлемы, искусство изготовления которых поражает наших       
современников. В первой половине XVI века русские кузницы поставляли 
на вооружение кованые вручную пушки. В 70-х годах XVIII века в Москве 
было более трехсот кузниц, а кузнецы, медники, слесари, серебряники         
по числу дворов занимали в городе второе место после галантерейщиков. 
В каждом доме были вещи, изготовленные кузнецами, – от тонкого обручального кольца до окованных железом ларцов, в которых хранили самое 
ценное. Профессия кузнеца была очень уважаемой в народе. Труд кузнецов 
прославлен во многих литературных произведениях. Ярким примером является история русского мастера Левши, подковавшего английскую блоху, 
которую описал писатель Н. С. Лесков. О принадлежности к кузнечному 
делу самих владельцев или их предков свидетельствуют такие распростра

Г л а в а  1. История возникновения и развития процессов обработки металлов давлением 
 

8 

ненные в мире фамилии, как Смит, Шмидт, Ферран, Коваль, Ковач, Чанг,  
а в России очень часто можно встретить Кузнецовых, Ковалевых и др. 
Хронологически историю кузнечного дела принято начинать с железного века, когда первобытный человек впервые стал изготавливать        
инструменты из железа. Тогда люди заметили, что если на углях нагреть 
определенный тип породы до очень высокой температуры, то получится 
железо. Поэтому можно утверждать, что кузнечное дело очень долгое время 
оставалось основным способом обработки металла для создания орудий.        
В целях защиты от зверей и врагов, а также для охоты и обработки земли 
первобытный человек ковкой изготовлял из железа боевое оружие и орудия мирного труда. 
Прошли сотни лет после того как были сделаны первые простейшие 
железные копья, наконечники стрел и иглы, прежде чем люди узнали           
о магнитных свойствах железа. Первый компас состоял из кованых железных 
игл, плавающих в круглом флаконе. Это стало величайшим историческим 
открытием, и с этого момента моряки больше не нуждались ни в звездах, 
ни в солнце, чтобы проложить курс своих кораблей. 
Кованое железо содержало низкий процент углерода, поэтому было 
менее прочным, чем сталь, но оно отличалось высокой пластичностью           
и прекрасно поддавалось кузнечной сварке. При правильном режиме сварки 
получалось бесшовное соединение между деталями. Железо, состоящее из 
нескольких слоев, или покрытий, было гораздо прочней, чем однослойное, 
и его применяли для изготовления пушек. При этом кузнецы всегда участвовали в изготовлении оружия.  
Интересно, что технология изготовления наконечников для копий 
существенно отличалась в Древней Руси и Римской Империи. Русские копья служили для колющего удара, и их старались делать как можно тверже, в отдельных случаях вваривая стальные лезвия. Наконечник изготавливали с заостренной частью, которую вгоняли в древко копья. Намного 
сложнее была технология ковки римских копий особой конструкции. Их 
изготовление требовало особого мастерства. Железный стержень отковывали достаточно тонким, чтобы он пружинил. Со стальным наконечником 
стержень был соединен кузнечной сваркой, а с деревянным древком скрепляющей муфтой. Такая конструкция позволяла легионерам получать преимущество в бою, так как они целились в деревянные щиты врагов, а не 
стремились попасть в незащищенные части тела противника. Вытащить 
такое копье в бою из щита было практически невозможно. Тяжелое длинное древко оттягивало руку щитоносца вниз вместе со щитом. Кроме того, 
тонкий железный стержень копья изгибался вниз, и древко упиралось             
в землю, затрудняя продвижение вперед. Враг становился беззащитным,           
и римляне уничтожали его мечом. 

1.1. История развития кузнечно-штамповочного производства 

9 

Следует отметить, что раньше кузнец владел несколькими специальностями, мог делать доспехи, оружие, орудия труда, замки, подковы для 
лошадей и многое другое. Кузнец даже мог вырывать людям зубы. В деревне у кузнеца обычно была своя кузница, в которой продавались различные бытовые предметы, в ней он ремонтировал цепи, колесные диски, топоры и другие инструменты.  
Существуют факты, свидетельствующие об обработке железа входящего в состав метеоритов, в Сибири в XVIII веке. В одной из деревень 
вблизи Красноярска жил необыкновенной  физической силы кузнец, отличающийся исключительной любознательностью и умом, фамилия которого 
была Медведев... И вот до Петербурга дошли слухи, что этот кузнец располагает сведениями об  «упавшей с неба»  железной глыбе и кует из нее 
различные изделия. По приказу Екатерины на поиски метеорита в Красноярск был направлен известный естествоиспытатель Петр Симон Паллас. 
Оказалось, что рассказы о «черном камне», который упал с неба на берег 
Енисея, были правдой. За кузницей Медведева находилась глыба, весившая 
около 40 пудов. Палласово железо, так его именуют сегодня, совершило 
путешествие из Красноярска в Петербург и попало в столицу в 1772 году. 
На протяжении веков кузнецы искали способы упрочнения металла           
и изобрели закалку стали. Они же разработали различные способы изменения содержания углерода и других элементов в железе, что расширило 
возможности его применения. В результате появились углеродистые и легированные стали, а также разные сплавы, используемые и в настоящее 
время. 
Много веков назад в Дамаске был изобретен особый способ производства клинков, называемых дамасскими. Процесс создания лезвия был 
сложным и длительным. Сталь трех видов складывали слоями и ковали. 
Иногда количество слоев доходило до 192 и более. Дамасская сталь имеет 
сложную структуру, а поверхность каждого клинка уникальна. Благодаря 
сочетанию трех сортов металла края лезвий становились очень острыми, 
долго не тупились, и точить их было просто. Дамасский меч представлял 
собой произведение искусства и мог стоить целое состояние. 
Только в начале XVI века в кузнечном деле стало применяться первое оборудование для ковки – механические рычажные молоты с массой 
падающих частей 70–150 кг, приводимые в движение водой. В местах, где 
нельзя было воспользоваться энергией воды, применялись также копровые 
или пестовые молоты. Бабу (подвижную часть таких молотов) поднимали 
за канат, перекинутый через блок, 7–10 человек, затем канат отпускали,          
и она падала, нанося удар по поковке. 
В дореволюционный период необходимо отметить огромный вклад   
в развитие кузнечного ремесла, внесенный тульскими оружейниками.         

Г л а в а  1. История возникновения и развития процессов обработки металлов давлением 
 

10 

В начале XVII века существовали уже кованые пушки, пищали и другое 
оружие. Но развитие кузнечного дела сдерживалось низкой технической 
культурой, к тому же мастера-кузнецы не могли наладить массовое производство изделий, необходимых государству. По указу Петра I в Туле            
в 1712 году был построен первый государственный оружейный завод, на 
котором впервые была применена горячая штамповка железа, а затем была 
изобретена одноручьевая молотовая штамповка оружейных деталей из железа. Петр I перед этим посетил много городов и стран Европы, где изучал 
кузнечные заводы, приглашал в Россию мастеров-умельцев. До сих пор          
в Германии рассказывают о том, что при посещении кузнечных заводов 
особое удовольствие царю доставляло забираться на хвостовик больших 
механических молотов с приводом от водяного колеса и раскачиваться на 
нем, как на обычных качелях. 
Бурное развитие металлургической и металлообрабатывающей промышленности вызвала промышленная революция XVIII века. Постройка 
железных дорог, паровозов, вагонов, пароходов шла очень быстрыми темпами и требовала соответствующих механизмов для изготовления тяжелых 
и больших поковок. 
Промышленная революция отразилась и на создании оборудования 
для ковки. В 1842 году англичанин Несмит запатентовал паровой молот          
и организовал производство в шотландском городе Эдинбурге. Вот как 
описывают появление первого парового молота. Во Франции строился        
огромный пароход «Великобритания». Необходимо было изготовить железный гребной вал невиданных тогда размеров (диаметром около 77 см), 
но ни одна из фирм не в состоянии была выполнить заказ. Тогда обратились к изобретателю, и «чертеж был готов спустя полчаса по получении 
писания…», – писал Несмит.  
Молот состоял из наковальни, куда кладут заготовку для ковки;          
из громадного куска металла в форме молота, производящего удар, и парового цилиндра, поршень которого поднимал на определенную высоту соединенный с ним молот (боек). Пар выпускался, вследствие чего молот под 
собственной тяжестью мгновенно падал вниз, ударяя по заготовке. 
До изобретения парового молота большие изделия, наподобие якорей судов, изготавливались из отдельных маленьких частей, а потом сваривались вместе. Главная особенность паровой машины была в том, что 
оператор управлял силой каждого удара. Несмит любил демонстрировать 
возможности молота: он мог сначала разбить яйцо, помещенное в фужер,  
и не повредить стекло, а затем этим же молотом сотрясал здание. Преимущества его изобретения стали настолько очевидными, что вскоре молоты 
Несмита можно было встретить в больших мастерских по всей стране.       
В молотах Несмита энергия пара расходовалась только на подъем подвиж