Основы расчетов процессов получения длинномерных металлоизделий методами обработки металлов давлением

Москва
ИНФРА-М
2018

ОСНОВЫ РАСЧЕТОВ 
ПРОЦЕССОВ ПОЛУЧЕНИЯ 
ДЛИННОМЕРНЫХ 
МЕТАЛЛОИЗДЕЛИЙ 
МЕТОДАМИ ОБРАБОТКИ 
МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

2-е издание

Н.Н. ЗАГИРОВ
И.Л. КОНСТАНТИНОВ
Е.В. ИВАНОВ

Допущено 
Учебно-методическим объединением по образованию 
в области металлургии в качестве учебного пособия 
для студентов высших учебных заведений, обучающихся 
по направлению подготовки 22.03.02 «Металлургия»

СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ 
УНИВЕРСИТЕТ

Загиров Н.Н.
Основы расчетов процессов получения длинномерных металлоизделий методами обработки металлов давлением : учеб. пособие / 
Н.Н. Загиров, И.Л. Константинов, Е.В. Иванов. — 2-е изд. — М. : 
ИНФРА-М, 2018. — 311 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). — 
www.dx.doi.org/10.12737/14655.

ISBN 978-5-16-011628-0 (print)
ISBN 978-5-16-103987-8 (online)

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 направлению подготовки 22.03.02 «Металлургия».

УДК 621.77(075.8)
ББК 34.8я73

З14

УДК  621.77(075.8)
ББК  34.8я73
 
З14

ISBN 978-5-16-011628-0 (print)
ISBN 978-5-16-103987-8 (online)
© Загиров Н.Н., Константинов И.Л., 
      Иванов Е.В., 2016

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»

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 об
жатия 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, сле
дует 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 (кон
тактного) 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 следую
щие 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 при
меняется 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 ре
версивной. 

3. По состоянию металла различают горячую, теплую и холод
ную 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, ко
гда 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 от
сутствие 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).