Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2010, № 2. Часть 2

 

 

ISSN 2071-6168 
 
УДК 621.86/87 
 
Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 2: в 2 ч. Тула: Изд-во ТулГУ, 
2010. Ч. 2. 260 с. 
 
 
Рассматриваются научно-технические проблемы в области новых 
технологий и оборудования для обработки металлов давлением, вычислительной техники и информационных технологий, вопросы полиграфии,                 
защиты информации, энергетики, энергоснабжения и электропривода. 
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, В.А. АЛФЕРОВ, И.А. БАТАНИНА, 
О.И. БОРИСКИН, 
В.И. ИВАНОВ, 
В.С. КАРПОВ, 
Р.А. КОВАЛЁВ, 
А.Н. ЧУКОВ, Е.А. ФЕДОРОВА, А.А. ХАДАРЦЕВ 
 
Редакционная коллегия 
 
О.И. Борискин (отв. редактор), В.С Карпов (зам. отв. редактора), 
Р.А. Ковалев (зам. отв. редактора), А.Н. Чуков (зам. отв. редактора), 
В.Б. Морозов (отв. секретарь), А.Е. Гвоздев, А.Н. Иноземцев, А.Б.  Копылов, 
Е.А. Макарецкий, Е.П. Поляков, В.В. Прейс, П.Г. Сидоров, В.М. Степанов, 
А.А.Трещёв, С.С. Яковлев, А.С. Ямников 
 
Подписной индекс 27851 
по Объединённому каталогу «Пресса России» 
 
«Известия ТулГУ» 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, 2010 
© Издательство ТулГУ, 2010 

ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ  
ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ 
 
 
 
УДК 621.983:539.974 
С.П. Яковлев, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-14-82, 
mpf-tula@rambler.ru (Россия, Тула, ТулГУ), 
В.И. Трегубов, д-р техн. наук,  проф., 4872) 35-14-82, 
mpf-tula@rambler.ru (Россия, Тула, ТулГУ), 
С.С. Яковлев, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-14-82, 
mpf-tula@rambler.ru

Однако результаты экспериментальных исследований не позволяют 
получить в явном виде зависимости изменения исследуемых характеристик механических свойств материала детали при ротационной вытяжке от 
входных факторов, что является важным для разработки технологического 

 (Россия, Тула, ТулГУ) 
 
ИЗМЕНЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГОРЯЧЕКАТАНЫХ 
ТРУБ ИЗ СТАЛИ 12ХЗГНМФБА ПРИ РОТАЦИОННОЙ ВЫТЯЖКЕ  
 
Приведены результаты экспериментальных исследований изменения механических свойств горячекатаных труб из стали 12ХЗГНМФБА в зависимости от степени деформации и температуры отпуска после закалки заготовки при ротационной 
вытяжке.  
Ключевые слова: механические характеристики, ротационная вытяжка, труба, степени деформации, температура отпуска, планирование эксперимента. 
 
Многие ответственные детали машиностроения работают в тяжелых условиях эксплуатации (агрессивные среды, высокие статические и 
динамические нагрузки), поэтому к механическим свойствам этих изделий 
предъявляются специальные требования. Теоретические исследования 
процессов ротационной вытяжки не позволяют установить основные закономерности формирования механических свойств получаемых деталей от 
технологических параметров рассматриваемого процесса [1, 2]. В связи с 
этим большое значение приобретают экспериментальные исследования 
процессов формирования механических свойств получаемой детали, которые позволяют получать надежную информацию по этому вопросу применительно к конкретной группе деталей из обрабатываемых материалов.  

Известия ТулГУ. Технические науки. 2010. Вып. 2. Ч. 2 

4

процесса, обеспечивающего заданные эксплуатационные характеристики 
материала детали. Поэтому представляется возможным использование 
программного комплекса планирования эксперимента (ПКПЭ) [3, 4] для 
построения математических моделей изменения условного предела текучести 
2,0
σ
, временного сопротивления 
в
σ , относительного максимального 

удлинения 
5
δ  образцов в направлении образующей трубных деталей при 
ротационной вытяжке на основе методов математической статистики и 
теории планирования эксперимента. 
С помощью теории планирования эксперимента возможно получение полиномиальных зависимостей характеристик механических свойств 
трубных деталей от режимов предварительной термообработки заготовки 
и режимов ротационной вытяжки на основе обработки результатов натурного эксперимента, проведенного в отдельных точках факторного пространства, с помощью разработанного ПКПЭ.  
В различных отраслях промышленности широкое распространение 
нашли осесимметричные изделия, изготавливаемые ротационной вытяжкой из трубных заготовок из сталей типа 10ГНА, 12ГНДЮ и других [1, 2]. 
Однако перечисленные выше марки сталей не обеспечивают возможность 
изготовления изделий с временным сопротивлением 
B
σ  свыше 1200 МПа. 

В настоящее время для получения изделий с предело м прочно сти 

свыше 1200 МПа нашла применение многокомпонентная легированная 
сталь 12ХЗГНМФБА. 
Ниже приведены результаты экспериментальных исследований по 
влиянию предварительных режимов термообработки и степени деформации при ротационной вытяжке осесимметричных полуфабрикатов на изменение условного предела текучести 
2,0
σ
, временного сопротивления 
в
σ  
и относительного максимального удлинения δ стали 12ХЗГНМФБА. 
Анализ результатов предварительно проведенных опытов показал, 
что влияние выбранных входных факторов на формирование показателей 
качества цилиндрических деталей носит нелинейный характер, поэтому 
для достаточно адекватного описания этого процесса, выходные параметры которых являются сложными функциями большого числа факторов, в 
качестве приближенной математической модели можно воспользоваться 
полиномами высших степеней. 
Для построения математических моделей, описывающих изменения 
характеристик механических свойств материала детали от режимов предварительной термической обработке заготовки и технологических параметров ротационной вытяжки, были отобраны следующие 2 фактора: температура отпуска трубных заготовок 
отп
T
 после закали и степень 
деформации 
100
)
/
1(
0 ⋅
−
=
ε
t
t
 %. Здесь 0t  и t  – толщина стенки исходной 
заготовки и детали соответственно. 

Технологии и оборудование обработки металлов давлением 

5

В качестве выходных факторов (функций отклика) выбраны следующие: условный предел текучести 
2,0
σ
, временное сопротивление 
в
σ  и 

относительное максимальное удлинение 
5
δ  образца в направлении образующей трубных деталей. 
Так как предварительные эксперименты и их анализ показали значительную нелинейность в характере зависимости выходных параметров 
процесса ротационной вытяжки от рассматриваемых входных факторов, 
был выбран композиционный план с варьированием исследуемых факторов: 
1
X  – на 6 уровнях; 
2
X  – на 4 уровнях, содержащий 24 опыта в матрице планирования факторного эксперимента (табл. 1). 
В соответствии с композиционным планом (табл. 1) в табл. 2 приведены уровни и интервалы варьирования температуры отпуска трубных 
заготовок 
отп
T
 после закалки и степени деформации ε , влияющие на исследуемые механические свойства стали 12ХЗГНМФБА, в натуральных 
значениях. Для каждой строки матрицы планирования (табл. 1) проводилось по шесть опытов для определения дисперсии воспроизводимости и 
оценки однородности опытов.  
 
Таблица 1 
Матрица планирования эксперимента 

№ опыта 

Кодированные 

значения 
факторов 

 

№ опыта 

Кодированные 

значения 
факторов 

1x
2
x
1x
2
x

1
+1,5
-1
13
0
-1

2
+1,5
0
14
0
+0,5

3
+1,5
0,5
15
0
+1

4
+1,5
+1
16
-0,5
-1

5
+1
-1
17
-0,5
0

6
+1
0
18
-0,5
+0,5

7
+1
0,5
19
-0,5
+1

8
+1
1
20
-1
-1

9
+0,5
-1
21
-1
0

10
+0,5
0
22
-1
+0,5

11
+0,5
0,5
23
-1
+1

12
+0,5
+1
24
0
0

 
При определении границ области эксперимента использованы значения факторов, установленные в предварительно проведённых экспериментальных исследованиях.  

Известия ТулГУ. Технические науки. 2010. Вып. 2. Ч. 2 

6

Связь натуральных и кодированных значений факторов осуществляется по следующим формулам: 

;2
/)
(
min
max
0
i
i
i
X
X
X
+
=
;2
/)
(
min
max
i
i
i
X
X
X
−
=
∆

;
/)
(
0
i
i
i
i
X
X
X
x
∆
+
=
,
0
i
i
i
i
X
X
x
X
+
∆
⋅
=
 

где 
i
X , 
0
i
X
, 
i
X
∆
 – значение фактора в натуральном масштабе, на основном уровне и интервал варьирования; ix  – значение фактора в кодированном масштабе. 
Согласно данному плану эксперимента была проведена серия опытов, и после проверки значимости коэффициентов уравнений регрессии по 
t -критерию Стьюдента из этих зависимостей были исключены незначимые 
коэффициенты и произведен перерасчет моделей с последующей проверкой их адекватности по F -критерию Фишера при уровне значимости, равным 0,05 [5, 6]. 
Исследовались образцы от заготовок, полученных холодной пластической деформацией (ротационной вытяжкой) горячекатаных труб из 
стали марки 12ХЗГНМФБА.  
 
Таблица 2 
Уровни и интервалы варьирования технологических параметров  
процесса ротационной вытяжки 

Обозначение факторов 

1
X
2
X

Температура отпуска

отп
T
, 0C  
Степень деформации 

ε , % 

Уровень    +1,50
700

Уровень    +1
650
80

Уровень    +0,5
600
60

Уровень    +0
550
40

Уровень    -0,5
500

Уровень    -1
450
0

 
Заготовки, вырезанные из горячекатаных труб, с геометрическими 
размерами Ø130 ×Ø116×450 мм после закалки при температуре T =910 °С 
(выдержка 1 час) для получения различной исходной прочности материала 
подвергались отпуску при различных температурах: 450, 500, 550, 600, 
650, 700 °С (выдержка 3 часа).  
Ротационная вытяжка с разделением очага деформации между роликами осуществлялась на станке для ротационной вытяжки модели СХП2. Станок оснащен 3-роликовой кареткой с гидравлическим приводом осевого перемещения. 
В качестве давильных элементов использовались три ролика, распо
ложенные по периметру окружности под углами 

120  диаметрами D =220 

Технологии и оборудование обработки металлов давлением 

7

мм, радиусами закругления ролика r =3 мм, высотой калибрующего пояска 

b=3 мм, с рабочим углом первого ролика 

15
1 =
α p
; второго и третьего – 


30
3
2
=
α
=
α
p
p
; с задними углами 

30
=
αз
 (см. рис. 1). Рабочий инстру
мент (ролики и оправка) изготавливался с твердостью 56...62 
э
HRC .  

 
Рис. 1. Типовая конструкция конических роликов с открытой  
калибровкой для ротационной вытяжки цилиндрических деталей 
 
Разбивка деформации между роликами производилась согласно рекомендациям, изложенным в работе [7]. За первый проход реализовалась 
степень деформации 
%
40
=
ε
, за второй – 
%
60
=
ε
 и за третий – 
%
80
=
ε
. 
Для обеспечения качественной поверхности и точности геометрических размеров полуфабриката режимы обработки назначались в следующих пределах: чистота вращения 
125
=
n
 мин-1

f

, шаг подачи                   
=1,0 мм/оборот. 
После проведения ротационной вытяжки с различными степенями 
деформации заготовки подвергались низкотемпературному отжигу при 

отж
T
= 400 °С для снятия внутренних напряжений. 
Для определения механических характеристик материала трубных 
заготовок и полуфабрикатов при разных степенях деформации изготовлялись продольные пятикратные образцы размером 145х10 мм (головки 14 
мм) в соответствии с ГОСТ 10006-80. Количество образцов каждого типа 
равнялось шести. 
Величины условных пределов текучести 
2,0
σ
, временного сопротивления 
вв
σ
, относительного максимального удлинения 
5
δ  образца в на

Известия ТулГУ. Технические науки. 2010. Вып. 2. Ч. 2 

8

правлении образующей трубных изделий вычислялись в соответствии с 
ГОСТ 1497-84. 
Растяжение образцов осуществлялось на универсальных испытательных машинах «RIEHLE» и «OLSEN» до разрушения с записью индикаторных диаграмм. 
Проведенные экспериментальные исследования и соответствующая 
обработка опытных данных позволили получить математические модели 
для определения исследуемых механических свойств материала детали в 
зависимости от температуры отпуска трубных заготовок отп
T
 после закалки и степени деформации ε  при ротационной вытяжке заготовок из стали 
12ХЗГНМФБА. 
Приведем регрессионные зависимости для исследуемых параметров:  
временное сопротивление (МПа) 

+
−
−
−
+
−
=
σ
2
2

2
1
2
1
2
1
52
,
51
59
,
193
23
,
82
23
,
130
43
,
569
3,
1423
x
x
x
x
x
x
в

−
+
+
+
−
+
2
2
2
1
3
2

3
1

2
2
1
2
2
1
28
,
71
89
,
69
53
,
227
93
,
42
72
,
17
x
x
x
x
x
x
x
x

2
3
1

3
2
1
66
,
30
38
,
99
x
x
x
x
+
−
4
1
08
,
24
x
−
,                                    (1) 
условный предел текучести (МПа) 

−
+
−
+
−
=
σ
2
1
2
1
2
1
2,0
29
,
384
65
,
245
21
,
127
86
,
605
92
,
969
x
x
x
x
x

+
−
+
+
+
−
2
2
3
1

2
2
1
2
2
1
2
2
37
,
44
91
,
165
801
,
26
71
,
104
24
,
18
x
x
x
x
x
x
x

4
1
2
3
1
32
,
170
04
,
150
x
x
x
−
+
,                                           (2) 
относительное максимальное удлинение (%) 

−
−
−
+
−
+
=
δ
2
2
1
2

2
1

2
2
2
1
5
76
,2
51
,1
22
,1
80
,2
31
,8
07
,
12
x
x
x
x
x
x
x

4
1
3
2
1
2
3
1

3
2

3
1
54
,1
34
,4
08
,1
48
,3
37
,3
x
x
x
x
x
x
x
+
+
−
+
−
.                  (3) 
 
На рис. 2 – 4 приведены графические зависимости изменения временного сопротивления 
B
σ , условного предела текучести 
2,0
σ
 и относи
тельного максимального удлинения 
5
δ  в виде поверхностей отклика и линий равного уровня от температуры отпуска трубных заготовок отп
T
 после 
закали и степени деформации ε , построенные на основе выражений                  
(1) – (3). 
Анализ графических зависимостей и экспериментальных исследований, представленных на рис. 2 – 4, показал, что холодная пластическая 
деформация стали 12ХЗГНМФБА после отпуска при температуре 600 °С и 
выше (при исходной величине предела прочности до 1000 МПа) в интервале степеней деформации 40…80 % ведется с незначительным упрочнением 
материала без практического уменьшения относительного удлинения 
5
δ . 

Технологии и оборудование обработки металлов давлением 

9

Прирост временного сопротивления 
B
σ  при 80-процентной степени деформации ε  составил 120…180 МПа, т.е. максимально на каждый процент 
деформации приходится 0,225 ед., что в 3 раза ниже прироста для сталей 
подобного класса. 
 

а
б 

Рис. 2. Графические зависимости 
изменения 
в
σ  в виде поверхностей 
отклика (а) и линий равного 
 уровня от отп
T
 и ε (б) 

Рис. 3. Графические зависимости 

изменения 
2,0
σ
 в виде  
поверхностей отклика (а) и линий 
равного уровня от отп
T
 и ε  (б) 
После отпуска материала при температуре 
=
T
550 °С и ниже (при 
исходной величине временного сопротивления более 1000 МПа) прирост 
временного сопротивления 
B
σ  в зависимости от степени деформации ε  
становится нормальным, т.е. в пределах 4,5…7,5 МПа на каждый процент 
деформации. 
Приведенные результаты экспериментальных исследований зависимости механических свойств многокомпонентной легированной стали 
12ХЗГНМФБА от режимов предварительной термообработки и степени 

Известия ТулГУ. Технические науки. 2010. Вып. 2. Ч. 2 

10

деформации могут быть использованы при проектировании новых технологических процессов ротационной вытяжки осесимметричных изделий 
ответственного назначения с повышенными прочностными свойствами. 
 

 
а 

 
б 
Рис. 4. Графические зависимости изменения 5
δ  в виде поверхностей 
отклика (а) и линий равного уровня от отп
T
 и ε  (б) 
 
Работа выполнена по ведомственной целевой программе «Развитие 
научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)» и грантам РФФИ 
№ 10-08-97526 и № 10-01-00085-а.  
 
Список литературы 
1. Баркая В.Ф., Рокотян С.Е., Рузанов Ф.И. Формоизменение листового металла. М.: Металлургия, 1976. 264 с.  
2. Могильный Н.И. Ротационная вытяжка оболочковых деталей на 
станках. М.: Машиностроение. 1983 192 с.  
3. Пустовгар А.С. Синтез точных D-оптимальных планов эксперимента для некоторых полиномиальных моделей третьего и пятого порядка 
// Механика и прикладная математика. Тула: ТулПИ, 1988. С. 140-144.