Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2014, № 10. Часть 2

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

 
 
ISSN 2071-6168 
 
 
 
ИЗВЕСТИЯ  
ТУЛЬСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО 
УНИВЕРСИТЕТА 
 
 
 
 
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ 
 
 
Выпуск 10 
 
 
Часть 2 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Тула 
Издательство ТулГУ 
2014 

ISSN 2071-6168 
 
 
УДК 621.86/87 
 
Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 10: в 2 ч. Ч. 2. Тула: Изд-во ТулГУ, 
2014. 205 с.
 
Рассматриваются научно-технические проблемы в области исследования и решения актуальных научно-технических и практических проблем 
разработки инновационных технологических процессов обработки металлов давлением, создания новых и перспективных кузнечно-штамповочных 
машин. 
Настоящий сборник составлен по результатам и докладам III Международной научно-технической конференции «Механика пластического 
формоизменения. Технологии и оборудование обработки материалов давлением». 
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, В.И. ИВАНОВ, Н.М. КАЧУРИН, 
Е.А. ФЕДОРОВА, А.К. ТАЛАЛАЕВ, В.А. АЛФЕРОВ, А.А. СЫЧУГОВ, 
Р.А. КОВАЛЁВ, А.Н. ЧУКОВ 
 
 
Редакционная коллегия 
 
О.И. Борискин (отв. редактор), А.А. Сычугов (зам. отв. редактора), 
Р.А. Ковалев (зам. отв. редактора), А.Н. Чуков (зам. отв. редактора),  
С.П. Судаков (выпускающий редактор), Б.С. Яковлев (отв. секретарь),  
И.Е. Агуреев, С.Н. Ларин, Е.П. Поляков, В.В. Прейс, А.Э. Соловьев 
 
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, 2014 
© Издательство ТулГУ, 2014 

Известия ТулГУ. Технические науки. 2014. Вып. 10. Ч. 2 
 

 
4

       
 
Рис. 1. Стаканы с конической придонной частью 
  

 
Рис. 2. Вариант инструмента для прямого выдавливания: 
 1 – верхний пуансон; 2 – матрица; 3 – изделие; 4 – нижний пуансон; 
 5 – опорная плита  
 
В работе [2] эта схема приведена со ссылкой на М. Куноги, который 
опубликовал ее в 1966 г. при описании своих работ по холодному выдавливанию стаканов из стали. При этом как в работе [1], так и в работе [2] 
справедливо отмечено, что необходимая деформирующая заготовку сила 
при таком выдавливании значительно уменьшается. 
Хотя в русском переводе книги [2] допущены неточности в терминах «прямое выдавливание» и «обратное выдавливание», использовавшие 
в дальнейшем рассматриваемую схему отечественные исследователи пра

Высокоэффективные технологические процессы в ОМД 
 

 
5

вильно назвали ее «прямым выдавливанием» и именно в выборе направления течения деформируемого материала искали причину снижения деформирующей заготовку силы, необходимой для требуемого ее формоизменения. Это нашло отражение в заглавиях их публикаций в журнале «Известия вузов. Машиностроение» (1982, 1985 и 1986 гг.), журнале «Кузнечноштамповочное производство» (1984 и 1985  г.г.), книге Джонсон У., Меллор П. «Теория пластичности для инженеров». (М.: Машиностроение, 
1979. 267 с. задача 47) и др. 
Однако в этот период также были изданы отечественные работы, 
посвященные операции штамповки поковок типа стаканов, где были сопоставлены их «прямое выдавливание» и «обратное выдавливание»,  
и  высказывалось противоположное мнение. Отметим, например, статью 
Д.П. Кузнецова с соавторами в журнале «Кузнечно-штамповочное производство» (1972 г.), озаглавленную «О холодном выдавливании полых цилиндрических изделий из малоуглеродистой стали», в которой сделан вывод «…все данные исследования и внедрения в производство процесса обратного выдавливания полых цилиндрических изделий из сплошных заготовок в равной степени распространяются на процесс прямого выдавливания этих же изделий из сплошных заготовок». 
Авторы статьи не могут полностью согласиться с приведенным 
выше выводом, поскольку при обратном выдавливании в неподвижной 
матрице (в отличие от схемы на рис. 2) имеет место другая площадь поверхности трения на контакте заготовки с матрицей по сравнению с прямым выдавливанием.  
При обратном выдавливании по отношению к неподвижной матрице смещается  только часть металла заготовки в очаге пластической деформации под торцом пуансона, имеющем относительно небольшую высоту, а также в выдавленной стенке стакана. Придонная часть заготовки 
остается неподвижной по отношению к матрице.  
При прямом выдавливании эта придонная часть заготовки так же, 
как и другие ее части, проталкивается по поверхности матрицы. Поэтому 
при прямом выдавливании сила контактного трения и общая деформирующая заготовку сила больше, чем при обратном. Таким образом, сравнение сил прямого и обратного выдавливаний должно быть противоположным тому, которое описано в книге Д. Эверхарда. 
Исходя из указанного различия в площадях контактного трения по 
поверхности матрицы, термины «прямое выдавливание» и «обратное выдавливание» вообще теряют свой смысл при выдавливании с активными 
силами контактного трения (рис. 3). В приведенной  на  этом рисунке схеме 1 – пуансон, 2 – заготовка, 3 – матрица, 4 – выталкиватель. Если скорость перемещения матрицы v1 больше скорости истечения металла vист, то 
направление сил трения на контакте с матрицей способствует течению ме

Известия ТулГУ. Технические науки. 2014. Вып. 10. Ч. 2 
 

 
6

талла. Это позволяет снизить необходимую для  выдавливания удельную 
силу на пуансоне на 15…20 %. Снижение удельной силы на такую величину повышает вдвое и более стойкость выдавливающих пуансонов, что 
можно оценить по кривой их усталостной прочности, приведенной, например,  на рис. 4. 
Приведенная на рис. 3 схема целесообразна для выдавливания деталей, имеющих одинаковый диаметр по всей их высоте, и не подходит 
для выдавливания деталей, показанных на рис. 1. Однако в данном контексте речь идет о влиянии направления выдавливания «прямое» или «обратное» на величину деформирующей заготовку силы. Приведенные  выше 
рассуждения подтвердили точку зрения, что снижение деформирующей 
силы при выдавливании по схеме, показанной на рис. 1,  не связано с направлением течения выдавливаемого при деформировании заготовки металла. 

 
 
Рис. 3. Схема выдавливания с активными силами  трения 
 
В данных рассуждениях целесообразно обратиться к учебнику Сторожева М.В. и Попова Е.А. «Теория обработки металлов давлением». Этот 
учебник в период с 1957 по 1977 гг. был издан четыре раза издательством 
«Машиностроение». Также он был издан на китайском, немецком и польском языках. В 1974 г. учебник был удостоен Государственной премии 
СССР.  
Авторы учебника называют выдавливанием операцию, при которой 
«происходит истечение металла, заключенного в замкнутую полость, через 
отверстие в ней, форма которого определяет поперечное сечение выдавленного участка деформированной заготовки». Они отмечают, что штамповка выдавливанием принципиально не отличается от процессов прессования, которые широко распространены для производства прутков, профи

Высокоэффективные технологические процессы в ОМД 
 

 
7

лей и труб из различных материалов. 
В то же время деформирование заготовки, направленное на производство поковок типа стаканов, авторы отделяют от процессов выдавливания и называют «закрытой прошивкой».  
Необходимость, по мнению авторов, которые объясняли причину 
снижения требуемой деформирующей силы, осуществления именно «прямого выдавливания» привела к созданию конструкции промышленного  
штампа, схематично показанной на рис. 4. 
В этом штампе заготовка устанавливается на съемник 2. При ходе 
ползуна пресса вниз матрица 4, установленная на верхней плите 6, опускается по направляющей 8 до упора в нижнюю часть штампа, при этом образуется постоянный зазор между коническими поверхностями пуансона 1 и 
матрицы 4. Одновременно с этим заготовка пуансоном 1 проталкивается в 
участок полости матрицы меньшего диаметра. При дальнейшем ходе вниз 
ползуна пресса пуансон 5, совершая движение в полости верхней плиты 
штампа 6, выдавливает заготовку в зазор между пуансоном 1 и матрицей 4. 
Матрица 4 при этом поджимается к нижней части штампа силами трения 
между деформируемой заготовкой и участком полости матрицы меньшего 
диаметра, а на заключительной стадии выдавливания – пружинами 7. При 
возвратном ходе ползуна пресса штампованная поковка 3 снимается с пуансона 1 съемником 2. 
 

 
 
Рис. 4.  Промышленный штамп для прямого выдавливания  
рассматриваемых деталей 

Известия ТулГУ. Технические науки. 2014. Вып. 10. Ч. 2 
 

 
8

Штампы, созданные по схеме, приведенной на рис. 4, были изготовлены и прошли апробацию на нескольких машиностроительных заводах. При этом возникли проблемы, причина которых заключалась в том, 
что штампы устанавливали на универсальные прессы, не имевшие выталкивателей из ползунов. Поэтому невозможно было вытолкнуть штампованную поковку 3, застрявшую в матрице 4. Обязательным условием серийного производства являлось нахождение поковки 3 на пуансоне 1 при 
открытии штампа. Этому было уделено большое внимание технологов. 
Тем не менее, поковка оставалась на пуансоне, не всегда это приводило к 
остановке производства, необходимости демонтажа матрицы с целью извлечения из нее застрявшей поковки. 
Авторы работ [2, 3] и инженер Н.Е. Попов подвергли сомнению 
предположение о том, что снижение деформирующей силы при выдавливании способом, показанным на рис. 1, связано с тем, что имеет место 
«прямое выдавливание», и металл течет в направлении, совпадающем с 
направлением движения деформирующего заготовку инструмента. Они 
обосновали это снижение рациональным сочетанием операций «закрытой 
прошивки» заготовки (по терминологии М.В. Сторожева и Е.А. Попова) и 
последующей раздачи формирующейся стенки стакана. 
При таком подходе штамповка может быть осуществлена в штампе,  
конструкция которого приведена на рис. 5 [4].  
Штамп работает следующим образом. При опускании верхней плиты с пуансоном 1 приводится в движение съемник 4, который в момент касания пуансоном заготовки начинает синхронно перемещать вниз матрицу 
2. По окончании выдавливания выталкиватель 3 удаляет штампованную 
поковку из матрицы. Если произойдет застревание поковки на пуансоне, 
она снимается при возвратном ходе пресса съемником 4. 
Проведено исследование операции, в которой сочетаются закрытая 
прошивки заготовки и последующая раздача формирующейся стенки стакана. Использован метод многофакторного эксперимента [5]. 
Установлено изменение относительной (по отношению к напряжению текучести σs) удельной деформирующей заготовку силы q/σs|r1, действующей в поперечном сечении пуансона, имеющем радиус r1, а также относительной удельной силы, действующей на торец пуансона q/σs|r. Первая из этих удельных сил в математических моделях обозначена как выходной параметр y1, вторая – как выходной параметр y2. В результате проведения эксперимента изменение этих выходных параметров описано в зависимости от перечисленных далее факторов. Первый фактор - относительный радиус матрицы r2 = r2′/r′  в поперечном ее сечении на уровне выхода металла из-под торца пуансона в коническую часть стакана. Второй 
фактор – угол конусности матрицы α. Третий фактор – относительный радиус пуансона r1= r1′/r′. Четвертый фактор -  соотношение тангенсов углов 

Известия ТулГУ. Технические науки. 2014. Вып. 10. Ч. 2 
 

 
10

материал, осуществляемое путем сужения зазора между пуансоном и матрицей. Это дополнительное давление препятствует разрыву стенки при 
раздаче. 
Уровни варьирования факторов приведены в табл. 1. 
Полный факторный эксперимент при заданном количестве уровней 
факторов должен включать 33 x 2 = 54 опыта. Однако на основе результатов теоретических исследований ожидается значимым влияние только 
главных эффектов факторов [5]. Влияние первых трех факторов нелинейное, а четвертого – линейное. Целесообразно строить модель главных эффектов, в которую входят  8 членов: 
y = b0 + b1 r2 + b2 α + b3 r1 + b4 tgα/tgβ + b11 r2
2 + b22 α 2  + b33 r1
2. 
   (1) 
Были проведены достаточные для нахождения коэффициентов модели (1) 9 опытов. Результаты опытов записаны в двух правых столбцах  
табл. 1. 
 
 
 Таблица 1 
Матрица плана эксперимента 
 

№ 
опыта 
Значение фактора 
y1 
(q/σs|r1) 
y2 
(q/σs|r) 
r2 
α 
r1 
tgα/tgβ 

1 
1,2 
60 
1,1 
1,15 
3,9 
3,8 

2 
1,35 
90 
1,2 
1,15 
1,7 
2,3 

3 
1,5 
150 
1,3 
1,15 
1 
1,9 

4 
1,5 
90 
1,1 
1,15 
1,5 
1,5 

5 
1,2 
150 
1,2 
1,15 
2,5 
3,1 

6 
1,35 
60 
1,3 
1,15 
2,1 
3,5 

7 
1,35 
150 
1,1 
1,25 
1,8 
1,9 

8 
1,5 
60 
1,2 
1,25 
1,8 
2,7 

9 
1,2 
90 
1,3 
1,25 
3,3 
4,7 

 
Выдавливание проводили в штампе со сменными матрицами и пуансонами, установленном на универсальной испытательной машине, снабженной устройством для записи изменения силы по ходу деформирования. 
За удельную силу принято отношение силы выдавливания к площади сечения пуансона на уровне наибольшего диаметра полости стакана. Выдавливали заготовки диаметром 15 мм из сплава АД1. Напряжение текучести 
σs для подсчета относительных удельных сил устанавливали по диаграмме 
истинных напряжений, построенной по результатам испытания образцов