Прессование как метод интенсивной деформации металлов и сплавов

Министерство образования и науки Российской Федерации
Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б.Н. Ельцина

Ю.Н. Логинов

Прессование 
как метод интенсивной деформации 
металлов и сплавов

Учебное пособие

Рекомендовано 
методическим советом УрФУ 
для студентов всех форм обучения 
по направлению подготовки «Металлургия»

Москва
Издательство «ФЛИНТА»
Издательство Уральского университета
2017

2-е издание, стереотипное

УДК 621.777:669.2(075.8)
ББК 34.623.4я73
          Л69
Рецензенты:
кафедра «Мехатроника» ФГОУ ВПО «Уральский государственный университет путей сообщения» (зав. кафедрой — канд. физ.-мат. наук, доц. 
В.С. Тарасян); канд. техн. наук, вед. науч. сотр. Института физики металлов УрО РАН Б.И. Каменецкий

Научный редактор — д-р техн. наук, проф. В.А. Шилов

Логинов, Ю.Н.
Л69     Прессование как метод интенсивной деформации металлов и сплавов [Электронный ресурс]: учеб. пособие / Ю. Н. Логинов. — 2-е изд., 
стер. — М. : ФЛИНТА : Изд-во Урал. ун-та, 2017 — 156 с.

ISBN 978-5-9765-3152-9 (ФЛИНТА)
ISBN 978-5-7996-1623-6 (Изд-во Урал. ун-та)

В учебном пособии приведено краткое описание процессов прессования специальных сплавов, методик расчета их параметров. Часть методик изложена в виде 
макропрограмм в электронных таблицах Excel и на языке Visual Basic.

Библиогр.: 62 назв. Табл. 14. Рис. 31. Прил. 1.

УДК 621.777:669.2(075.8)
ББК 34.623.4я73

© Уральский федеральный
     университет, 2016
ISBN 978-5-9765-3152-9 (ФЛИНТА)
ISBN 978-5-7996-1623-6 (Изд-во Урал. ун-та)

Оглавление

Введение ........................................................................................................5
1. Сущность процесса и области его применения .......................................7
2. Особенности течения металла при прессовании .....................................9
3. Структура и текстура пресс-изделий ......................................................15
4. Расчет размеров слитка или заготовки ...................................................19
5. Расчет энергосиловых параметров прессования ...................................25
6. Прессовая прошивка ...............................................................................30
7. Расчеты прессового инструмента ...........................................................36

7.1. Определение числа матричных каналов..........................................37
7.2. Определение размеров канала матрицы ..........................................40
7.3. Проектирование элементов матрицы..............................................42
7.4. Определение продольного профиля канала матрицы ....................46
7.5. Расчет на прочность .........................................................................47
8. Особенности прессования меди и медных сплавов ...............................48
8.1. Параметры прессования меди .........................................................48
8.2. Влияние фазового состава на параметры прессования 
        многофазных латуней ......................................................................49
8.3. Параметры прессования бронз ........................................................56
9. Особенности прессования алюминия и алюминиевых сплавов ...........57
9.1. Особенности свойств сплавов .........................................................57
9.2. Температурно-скоростной режим ...................................................58
9.3. Подготовка прессового инструмента для прессования 
        крупногабаритных труб ...................................................................60
10. Особенности прессования никеля и его сплавов .................................64
11. Особенности прессования титана и его сплавов ..................................65
11.1. Влияние свойств титановых сплавов на параметры 
          прессования ..................................................................................65
11.2. Влияние компонентов тензора деформации 
          на формирование анизотропных свойств альфа-титановых 
          сплавов ..........................................................................................67
11.3. Оценка компонентов тензора скоростей деформации 
          методом конечных элементов ......................................................72
11.4. Оценка компонентов тензора деформации методом 
          конечных элементов ....................................................................76
11.5. Соотношения компонентов деформаций и прогноз текстуры ..76
12. Особенности прессования магния и его сплавов .................................79
13. Особенности прессования тугоплавких металлов ...............................82
14. Особенности гидроэкструзии металлов ...............................................84
14.1. Общее представление о процессе гидроэкструзии .....................84
14.2. Особенные физические эффекты в процессе гидроэкструзии ..89

Логинов Ю. Н. ПрессоваНие как метод иНтеНсивНой деформации метаЛЛов и сПЛавов

15. Энергоемкость прессования .................................................................92
15.1. Баланс энергозатрат .....................................................................92
15.2. Температура нагрева заготовки ...................................................93
15.3. Влияние скорости прессования ...................................................97
15.4. Влияние подпора и натяжения ....................................................98
15.5. Контактные условия на контейнере и матрице ........................100
15.6. Упругая и пластическая сжимаемость прессуемого материала ..101
15.7. Совмещение процессов литья и прессования ...........................103
15.8. Пример расчета энергоемкости .................................................105
16. Изменение температуры инструмента в циклах его нагружения 
       при горячем прессовании ...................................................................106
16.1. Тепловая нагрузка матрицы .......................................................107
16.2. Тепловая нагрузка пресс-шайбы ...............................................109
17. Специальные методы прессования ....................................................112
17.1. Сфера применения процесса РКУ-прессования ......................112
17.2. Физическое представление процесса РКУ-прессования .........112
17.3. Математическое описание процесса РКУ-прессования ..........117
17.4. Конформ-процесс ......................................................................123
17.5. Прессование с активным действием сил трения ......................124
18. Применение метода конечных элементов 
       для анализа напряженно-деформированного состояния 
       прессования ........................................................................................126
18.1. Постановка задачи .....................................................................126
18.2. Изотермическая задача прессования.........................................129
18.3. Прессование при подогреве инструмента до одинаковой
          температуры ...............................................................................130
18.4. Прессование при разной температуре нагрева инструмента ....132
18.5. Расчет охлаждения металла на предшествующих 
          этапах прессования ....................................................................133
18.6. Расчет температурного поля на заключительном 
          этапе прессования с учетом захолаживания 
          на предыдущих этапах ................................................................135
18.7. Моделирование напряженного состояния иглы 
          при прессовании трубных заготовок .........................................137
19. Вопросы для самоконтроля ................................................................146

Список литературы ...................................................................................147

Приложение ..............................................................................................152

Введение

С

удя по имеющимся историческим данным, процесс прессования изобрел Joseph Bramah, который получил патент 
в 1797 г. на процесс получения свинцовых труб [1]. Поскольку изобретатель использовал пресс с ручным приводом, то даже для 
деформации такого мягкого металла, как свинец, потребовалось применить предварительный нагрев заготовки. Впоследствии процесс 
не получил широкого развития, пока в 1820 году Thomas Burr не изобрел первый гидравлический пресс для выдавливания металлов [2]. 
Процесс был назван термином «squirting». Впоследствии в 1894 году 
Alexander Dick применил процесс прессования для деформации меди 
и латуни [3]. Таким образом, процессу прессования немногим свыше 
200 лет, что является небольшим сроком для развития, если учесть, что 
ковку и волочение металлов люди научились применять еще до нашей эры.
Наибольшее распространение процесс прессования получил в сфере производств изделий из цветных металлов и сплавов, что объясняется в основном необходимостью быстрой перенастройки оборудования 
для производства изделий малыми партиями при широкой номенклатуре производства. Особый импульс для развития прессование получило при вовлечении в промышленный оборот сплавов на основе легких металлов, что обуславливалось становлением авиации и ракетной 
техники. Многочисленные профили сложной конфигурации практически невозможно было получить другими методами обработки металлов давлением.
Большое внимание в последнее время уделяется процессам обработки давлением, в которых возможно сообщить высокий уровень деформации, их стали называть процессами интенсивной деформации. 
Такие методы обработки позволяют существенно изменить структуру 
металла и получить высокий уровень потребительских свойств. Прес

Логинов Ю. Н. ПрессоваНие как метод иНтеНсивНой деформации метаЛЛов и сПЛавов

сование с этой точки зрения — уникальный процесс, поскольку большую деформацию здесь не надо накапливать, как это делается при 
ковке, прокатке, волочении, — она сообщается деформируемому материалу за один цикл обработки.
Сегодня такой молодой с исторической точки зрения процесс, 
как прессование, постоянно совершенствуется. Для осознанных усовершенствований нужно иметь представления о накопленном опыте 
в сфере производства и о методиках расчета процессов, чему посвящено настоящее учебное пособие.

1. Сущность процесса и области его применения

О

сновополагающим учебником в России в области прессования является книга И. Л. Перлина, Л. Х. Райтбарга [4], поэтому терминология, классификация процессов и некоторые методики расчетов будут описаны с опорой на это издание.
Прессованием называют процесс выдавливания помещенной 
в контейнер 1 (рис. 1.1) заготовки 2 через отверстие в матрице 3 усилием пуансона 4, снабженного пресс-шайбой 5. В случае прессования 
полых заготовок, в том числе труб, оснастка дополняется иглой 6, закрепленной либо на пуансоне, либо в иглодержателе, имеющем независимый привод.

2

1
3

4

а

5

6

2

1
3

4

б

5

Рис. 1.1. Схема процесса прессования:

а — прутка; б — трубы: 1 — контейнер, 2 — заготовка (слиток); 3 — матрица;  
4 — пуансон; 5 — пресс-шайба; 6 — игла

Можно отметить следующие достоинства процесса:
— возможность производства изделий сложного поперечного сечения;
— возможность достижения чрезвычайно высоких вытяжек 
за один цикл деформации;

Логинов Ю. Н. ПрессоваНие как метод иНтеНсивНой деформации метаЛЛов и сПЛавов

— возможность быстрого перехода к изготовлению изделий другого профиля (гибкость технологии);
— возможность производства изделий из малопластичных материалов благодаря мягкой схеме напряженного состояния (высокий уровень сжимающих напряжений);
— достаточно высокие точность и качество поверхности изделий;
— относительно невысокие капитальные затраты.
В качестве недостатков процесса можно отметить:
— высокий уровень напряжений, действующих на инструмент 
(их величина составляет 500…1000 % от значения ss прессуемого металла), что неблагоприятно сказывается на стойкости 
оснастки;
— необходимость применения жаропрочных и соответственно 
дорогих материалов для изготовления инструмента, что повышает себестоимость продукции;
— невысокая производительность метода.
Применительно к обработке специальных сплавов прессование 
часто выступает в роли первичной обработки металла, имеющей целью разрушить грубую литую структуру литых заготовок либо снизить 
поврежденность порами порошковых заготовок и в целом повысить 
пластичность металла перед последующими процессами ОМД с более 
жесткими схемами напряженного состояния: прокаткой, волочением 
и др. Иллюстрацией служат данные табл. 1.1.

Таблица 1.1
Режимы первичной обработки заготовок тугоплавких металлов [5]

Материал
Схема обработки
Температурный 
интервал, °C
Степень 
деформации, %
Молибден и его сплавы
ВМ1, ВМ2, ЦМ5
Прессование
1300…1800
70…85

Вольфрам и его сплавы 
с рением и молибденом
Ковка
Прессование 
1400…2000
1400…1860

5…15
до 90
Ниобий и его сплавы
Прессование
1300…1500
70…80

Хром и его сплавы
Ковка
Прессование
700…1600
1050…1100
15…20
75…80

Тантал и его сплавы
Ковка
Прессование
20
1100…1500
15…25
до 95
Ванадий и его сплавы
Прессование
1000…1450
85…90

2. Особенности течения металла при прессовании

Следует отметить, что от технологий и агрегатов в черной металлургии требуется обеспечение как можно более высокой производительности, что часто идет в ущерб гибкости процессов. В цветной металлургии при относительно небольших объемах партий заготовок 
на первый план выходит возможность быстрой переналадки технологического процесса на выпуск другого типа продукции. Именно этому требованию удовлетворяет процесс прессования, поэтому он получил в отрасли достаточно широкое распространение.

2. Особенности течения металла при прессовании

Р

азличают прямое прессование и обратное [6]. При прямом 
прессовании пуансон перемещает слиток внутри контейнера и требуется дополнительная энергия на преодоление 
трения. При обратном прессовании слиток неподвижен относительно 
стенок контейнера, а выдавливание происходит надвиганием на заготовку матрицы, здесь отсутствуют затраты на преодоление напряжений трения на стенке контейнера, что позволяет снизить общие энергозатраты на 30–40 %. Достоинством прямого метода является высокая 
прочность матричного узла и пуансона (он выполнен сплошным). При 
обратном методе габариты матрицы должны вписываться в габариты 
полости контейнера, что уменьшает ее прочность, пуансон должен 
быть выполнен полым, что также снижает его прочность.
Структура очага деформации при прессовании представлена 
на рис. 2.1. К торцу пресс-шайбы примыкает жесткая зона 1 (Жз1), 
металл в которой перемещается вместе с пресс-шайбой. При обратном методе прессования эта зона остается неподвижной. К торцу матрицы примыкает жесткая зона 2 (Жз2), металл которой подвергается 
деформации только при выпрессовывании пресс-остатка. На уровне 
калибрующего пояска длиной ln образуется жесткая зона 3 (Жз3). Границами жестких зон и поверхностью контейнера образована пластическая зона (Пз). Для прессования через плоскую матрицу характерно существование угла естественного истечения металла α, значение 

Логинов Ю. Н. ПрессоваНие как метод иНтеНсивНой деформации метаЛЛов и сПЛавов

которого зависит от параметров трения, свойств прессуемого металла 
и др. В приближенных расчетах рекомендовано принимать при прямом прессовании значение α равным 60…65° (1,05…1,13 рад). Вдоль 
конической поверхности, образованной зоной Жз2, действуют касательные напряжения среза.

L
Lcp

Жз1

а

lп

Пз

Жз2
α

d

Dk

Жз3

L
Lcp

Жз1

б

Пз

d

Жз3
α

ln

Dk

Рис. 2.1. Расчетные схемы прямого прессования:

а — через плоскую матрицу, б — через коническую матрицу

Если применяют коническую матрицу (рис. 2.2, б), то в качестве 
угла естественного истечения металла может выступать полуугол раствора матрицы. В этом случае жесткая зона Жз2 может отсутствовать, а по поверхности матрицы будут действовать напряжения трения, а не среза. Энергозатраты в таком процессе оказываются меньше, 
особенно при применении эффективных смазок и теплоизолирующих слоев.

а

1

2

3

б

ПУ

ОМ

Рис. 2.2. Нестационарные периоды прессования:

а — распрессовка: 1 и 3 — области защемления воздуха; 2 — зона бочкообразования и растягивающих напряжений; б — выпрессовывание пресс-остатка и образование пресс-утяжины: 
ПУ — пресс-утяжина; ОМ — отход металла и создание воронкообразного дефекта