Технологии и машины обработки давлением

Москва 2019

МИНИС ТЕРС ТВО НАУКИ И ВЫСШ ЕГО О Б РА З О ВА Н И Я РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ 
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»

ИНСТИТУТ ЭКОТЕХНОЛОГИЙ И ИНЖИНИРИНГА 
 
Кафедра инжиниринга технологического оборудования

ТЕХНОЛОГИИ И МАШИНЫ  
ОБРАБОТКИ ДАВЛЕНИЕМ

Учебник

Допущено Федеральным Учебно-методическим объединением 
по укрупненной группе специальностей и направлений  
22.00.00 «Технологии материалов» в качестве учебника 
при подготовке аспирантов, обучающихся по направлению 
22.06.01 «Технологии материалов»

№ 3544

УДК 621.77.06 
 
Т38

Р е ц е н з е н т ы: 
д-р техн. наук, проф. Г.В. Ашихмин (АО «Институт Цветметобработка»); 
д-р техн. наук, проф. А.В. Гончарук

А в т о р ы: 
Горбатюк С.М., Герасимова А.А., Кобелев О.А., Белелюбский Б.Ф.

Т38  
Технологии и машины обработки давлением : учебник / 
С.М. Горбатюк [и др.]. – М. : Изд. Дом НИТУ «МИСиС», 2019. – 
219 с.
ISBN 978-5-907061-67-5

Учебник посвящен проблеме интенсификации процессов обработки металлов давлением (ОМД), в частности, таких как труднодеформируемые тугоплавкие металлы – вольфрам и молибден. Описаны получение, свойства и применение этих металлов и их сплавов. Сформулированы проблемы обработки 
давлением вольфрама и молибдена и методы повышения их технологической 
деформируемости в процессах ОМД. Показаны технологические возможности 
традиционных процессов обработки давлением штабиков, заготовок, прутков, 
проволоки, композитов и обоснована эффективность разработки и применения новых интенсивных процессов ОМД. Описан принцип действия, назначения комплекса уникального оборудования для аппаратурного оформления 
этих процессов. 
Содержание учебника соответствует образовательному стандарту НИТУ 
«МИСиС», подготовки аспирантов по направлению 15.06.01 «Машиностроение».
Учебник предназначен для аспирантов, обучающихся по направлениям 
15.06.01 «Машиностроение», 22.06.01 «Технологии материалов» и преподавателей, проводящих занятия по данной дисциплине. Может быть полезен студентам и аспирантам других направлений подготовки.

УДК 621.77.06

 Коллектив авторов, 2019
ISBN 978-5-907061-67-5
 НИТУ «МИСиС», 2019

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие ..............................................................................................5

Введение ....................................................................................................8

1. Свойства и применение тугоплавких металлов ............................... 11
1.1. Свойства и применение вольфрама ...............................................11
1.2. Молибден и его свойства ................................................................ 32
Контрольные вопросы ........................................................................... 44

2. Технологические процессы обработки давлением  
в производстве заготовок из тугоплавких металлов ............................45
2.1. Компактные заготовки из вольфрама и молибдена ..................... 45
2.2. Особенности обработки давлением тугоплавких металлов ...... 47
2.3. Процесс прессования ...................................................................... 59
2.4. Бесконтейнерное вибрационное прессование ............................. 78
2.4.1. Описание процесса .................................................................. 78
2.4.2. Условия осуществления процесса БВП ................................ 83
2.4.3. Способы БВП. Аппаратурное оформление .......................... 85
2.4.4. Комбинированные процессы .................................................. 92
2.4.5. Силовые и деформационные параметры  
прессования ........................................................................................ 99
2.4.6. Опытно-промышленный стан БВП вольфрамовых 
и молибденовых прутков................................................................. 101
2.5. Ковка и радиальное обжатие заготовок ...................................... 108
2.5.1. Ротационная ковка ................................................................. 108
2.5.2. Радиальное обжатие ...............................................................117
2.6. Прокатка ......................................................................................... 123
2.6.1. Ручьевая прокатка .................................................................. 123
2.6.2. Прокатка в многовалковых калибрах .................................. 124
2.6.3. Планетарная прокатка ........................................................... 130
2.6.4. Винтовая прокатка ................................................................. 133
Контрольные вопросы ......................................................................... 138

3. Прогрессивные технологии производства изделий  ......................139
3.1. Технологические схемы производства проволоки  
из тугоплавких металлов ..................................................................... 139
3.2. Получение лент из тугоплавких металлов ................................. 192

3.3. Новая технология производства молибденовой проволоки ..... 198
3.4. Композиционная проволока на основе тугоплавких  
металлов ................................................................................................ 206
Контрольные вопросы ......................................................................... 216

Заключение ............................................................................................217

Библиографический список .................................................................218

ПРЕДИСЛОВИЕ

Дисциплина «Технологии и машины обработки давлением» относится к обязательным дисциплинам вариативной части основной образовательной программы подготовки научно-педагогических кадров 
в аспирантуре по направлению 15.06.01 «Машиностроение».
Дисциплина имеет практико-ориентированную направленность и 
предназначена для приобретения обучающимися компетенций в области проектирования и оптимизации конструкций технологических 
машин и оборудования. 
Целями освоения дисциплины «Технологии и машины обработки 
давлением» являются: подготовка выпускников к производственнотехнологической деятельности в области инжиниринга металлургического оборудования и технологий; подготовка выпускников к организационно-управленческой деятельности в области инжиниринга 
металлургического оборудования и технологий; подготовка выпускников к проектной деятельности в области инжиниринга металлургического оборудования и технологий.
Дисциплина вносит вклад в формирование следующих универсальных и общих для направления компетенций:
 – способность к критическому анализу и оценке современных научных достижений, генерированию новых идей при решении исследовательских и практических задач, в том числе в междисциплинарных областях (УК-1); 
 – способность проектировать и осуществлять комплексные исследования, в том числе междисциплинарные, на основе целостного 
системного научного мировоззрения с использованием знаний в области истории и философии науки (УК-2); 
 – способность научно обоснованно оценивать новые решения в 
области построения и моделирования машин, приводов, оборудования, технологических систем и специализированного машиностроительного оборудования, а также средств технологического оснащения 
производства (ОПК-1); 
 – способность формулировать и решать нетиповые задачи математического, физического, конструкторского, технологического, электротехнического характера при проектировании, изготовлении и эксплуатации новой техники (ОПК-2); 
 – способность формировать и аргументированно представлять 
научные гипотезы (ОПК-3); 

– способность планировать и проводить экспериментальные исследования с последующим адекватным оцениванием получаемых 
результатов (ОПК-5). 
Дисциплина вносит вклад в формирование следующих профессиональных компетенций:
 – владение методологией теоретических и экспериментальных 
исследований в области инжиниринга металлургического оборудования и технологий (ПК-1);
 – владение культурой научного исследования в области инжиниринга машин, агрегатов и процессов, в том числе с использованием 
новейших информационно-коммуникационных технологий (ПК-2);
 – способность к разработке новых методов исследования и их 
применению в самостоятельной научно-исследовательской деятельности в области инжиниринга машин, агрегатов и процессов с учетом 
правил соблюдения авторских прав (ПК-3);
 – способность и готовность выполнять расчетно-теоретические и 
экспериментальные исследования в качестве ведущего исполнителя с 
применением компьютерных технологий (ПК-5).
Дисциплина вносит вклад в формирование следующих результатов обучения.
Знать: 
 – физические основы процессов обработки материалов давлением, в том числе, физические основы пластической деформации металлов и сплавов, пластичность и деформируемость металлов и сплавов, сопротивление металлов пластическому деформированию, виды 
и законы внешнего трения;
 – основы механики и теплофизики, в том числе закономерности 
напряженного и деформирования состояния сплошной среды, простейшие реологические модели и условия пластичности, методы 
определения усилий деформации, уравнения теплопроводности и их 
использование при решении технологических задач; 
 – методы экспериментальных исследований процессов обработки 
давлением;
 – основы механики машин, в том числе кинематический и силовой анализ типовых исполнительных механизмов машин дискретного 
и непрерывного действия для обработки металлов давлением, виды 
фрикционных связей и законы трения;
 – основы прочности и динамики машин, в том числе теории 
прочности, усталостная прочность, расчеты напряжений и деформа

ций в деталях и узлах, расчеты сжатых стержней на устойчивость и 
определение критической силы, расчеты напряжений и деформаций в 
толстостенных цилиндрах под действием радиального давления;
 – основы термодинамики и гидродинамики, в том числе уравнение состояния идеального газа, первый закон термодинамики, теплоемкость газов, термодинамические процессы в идеальных газах, 
второй закон термодинамики, цикл Карно, понятие об энтропии системы, движение идеальной вязкой жидкости, уравнения Эйлера, Навье – Стокса и Бернулли, потери энергии при внезапном расширении 
и сжатии идеальной жидкости в потоке и гидравлические сопротивления, гидравлический удар, структура потока в трубах.

Уметь: 
 – анализировать достоинства и недостатки отдельных технологических процессов ОМД; на основании современного технического 
уровня и с учетом опыта эксплуатации разрабатывать технические 
задания на создание новых технологий и образцов оборудования для 
обработки материалов давлением;
 – в соответствии с техническим заданием выбирать технологические схемы и оборудование для осуществления прогрессивных технологических процессов; 
 – разрабатывать технологии и поточные линии, отвечающие требованиям ресурсо- и энергосбережения, экологичности и экономической эффективности;

Владеть: 
 – навыками разработки технологических режимов процессов 
ОМД, обеспечивающих получение продукции с заданным комплексом физико-механических характеристик и служебных свойств; 
 – аналитическими и экспериментальными методами исследования, 
направленными на повышение качества металлопродукции, и использовать их результаты при разработке новых технологических решений 
и реконструкции действующих металлургических предприятий; 
 – навыками построения и анализа математических моделей процессов обработки давлением с использованием современных систем 
автоматизированного проектирования;
Содержание учебника соответствует образовательному стандарту 
НИТУ «МИСиС», подготовки аспирантов по направлению 15.06.01 
«Машиностроение».

ВВЕДЕНИЕ

Технологии и машины обработки давлением – область науки и 
техники, изучающая и формулирующая закономерности пластического деформирования различных материалов с целью создания технологий изготовления заготовок и изделий высокого качества, а также 
современных экономичных кузнечных, прессовых, штамповочных и 
прокатных машин, способных реализовать разработанные технологии. Изучение связей в системе заготовка – инструмент – машина и 
рациональный выбор способа приложения к заготовке деформирующих сил и технических характеристик машины позволяют снизить 
энергозатраты при работе машин, технологические отходы, улучшить 
условия труда, автоматизировать проектные работы и производство 
продукции.
Сегодня промышленностью производится наукоемкая продукция 
из большинства тугоплавких металлов. Обладая уникальным комплексом физико-механических свойств, тугоплавкие металлы характеризуются низкой технологической деформируемостью при обработке давлением. Это ограничивает степень, скорость деформации и 
производительность технологических процессов. Поэтому разработки технологий и процессов обработки давлением тугоплавких металлов, в первую очередь, таких как вольфрам, молибден и сплавы на их 
основе являются актуальными. Особое значение для формирования 
заданных свойств полуфабрикатов и конечных продуктов имеет процесс первичной деформации спеченных или полученных плавкой заготовок.
При обосновании схем деформирования определяющими факторами интенсификации процесса обработки давлением приняты: создание благоприятной схемы напряженно-деформированного состояния 
металла в очаге деформации с превалированием сжимающих напряжений, сообщение циклического характера нагружению металла в 
ходе деформации, перераспределение во времени нагрузки при деформировании металла системой инструментов, нагружающихся по 
определенному, заданному закону.
Для деформирования спеченных штабиков из вольфрама и молибдена, заготовок из тяжелых сплавов на основе вольфрама и т.п. изделий разработан и впервые в мировой практике реализован процесс 
поперечно-винтовой прокатки спеченных заготовок из тугоплавких 

металлов по схемам «квадрат-круг», «прямоугольник-круг», «кругкруг». Достигнута значительная интенсификация процесса первичной деформации спеченных заготовок по сравнению с традиционной 
ротационной ковкой. Коэффициенты вытяжки металла увеличены до 
2,1…2,9 за переход по сравнению с 1,08…1,19 при ротационной ковке. Определены оптимальные кинематические и деформационные режимы, при которых достигается качество проката (прутки, проволочные заготовки), соответствующее требованиям технических условий. 
Впервые созданы как комплекс оборудования (промышленные станы 
РСПВ-10, РСП-7), так и новая технология производства твердосплавных валков станов поперечно-винтовой прокатки.
Процесс деформирования валковыми пульсирующими матрицами 
разработан и впервые применен при обработке малопластичных спеченных тяжелых сплавов на основе вольфрама и других тугоплавких металлов. При производстве узких лент с применением валкового деформирующего инструмента интенсификация процесса плющения по обжатию 
достигается наложением на один валок или оба валка плющильного стана гармонических колебаний от вибропривода. По этой технологии производятся ленты из вольфрама, молибдена, ниобия и тантала.
Для обработки малопластичных прутков из тугоплавких металлов и их композитов разработано, аналитически и экспериментально 
обосновано и применено в качестве самостоятельного процесса обработки давлением бесконтейнерное вибрационное прессование (БВП) 
металла. Деформирование ведется циклами вдавливания металла в 
матрицу. Процесс позволяет обрабатывать заготовки, не поддающиеся обработке волочением из-за низкой пластичности, например, кованые или катаные вольфрамовые прутки диаметром 10–3 мм. Наблюдается значительный пластифицирующий эффект при деформировании 
тугоплавких металлов методом БВП и волочением с активным циклическим подпором.
Комплекс разработок относится к области волочения металла через систему волок, нагружающихся поочередно. Интенсификация 
процесса по достигаемому обжатию обусловлена: перераспределением во времени нагрузки на металл от сил деформирования (временной фактор) и существенным снижением сил контактного трения (поверхностный фактор циклического деформирования). 
При производстве проволочных заготовок из вольфрама и молибдена широкое применение получил процесс волочения через 2 воло

ки, которым сообщаются гармонические колебания противоположной 
фазы. Снижение силы волочения достигает 50 %, а коэффициенты 
вытяжки за переход достигают 1,3 (вольфрам), 1,45 (молибден).
В учебнике представлены разработанные технологические схемы, которые предусматривают последовательное применение разработанных процессов с учетом наследственности металла. Показано, 
что высокие степени и скорости деформации, характерные для интенсивных технологий, позволяют также сформировать благоприятную 
структуру металла, не достигаемую традиционными методами. Это 
повышает эксплуатационные характеристики конечных изделий, например, прутков, проволоки, лент, катодов, композитов на основе тугоплавких металлов и их сплавов.