Обработка металлов давлением : теория процессов трубного производства

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 обработки металлов давлением 
А.П. Коликов 
Б.А. Романцев
А.С. Алещенко
ОБРАБОТКА  МЕТАЛЛОВ 
ДАВЛЕНИЕМ
Теория процессов  
трубного производства
Учебник
Допущено Федеральным Учебно-методическим объединением 
по укрупненной группе специальностей и направлений  
22.00.00 «Тенологии материалов» в качестве учебного пособия  
при подготовке бакалавров и магистров, обучающихся  
по направлению 22.03.02 и 22.04.02 «Металлургия»
Москва  2019

УДК 
621.7 
К60
Р е ц е н з е н т ы :
д-р техн. наук, проф. С.М. Горбатюк;
д-р техн. наук, проф. А.Г. Колесников (МГТУ им. Баумана)
Коликов А.П. 
К60	 	
Обработка металлов давлением : теория процессов трубного 
производства : учеб. / А.П. Коликов, Б.А. Романцев, А.С. Алещенко. – М. : Изд. Дом НИТУ «МИСиС», 2019. – 502 с.
ISB 978-5-906953-98-8
Изложены основы общей теории пластического деформирования металлов: 
физические основы пластической деформации и сопротивления деформации, 
пластичности, деформируемости и элементов механики разрушения, а также рассмотрены основные закономерности контактного трения, возникающие 
в различных процессах ОМД; значительное внимание уделено базовым понятиям о моделях  и моделированию процессов пластической  деформации металлов.
Рассмотрены основы современной теории процессов производства бесшовных труб: кинематика очага деформации, условия захвата металла валками, особенности напряженно-деформированного состояния металла. Приведены современные методы расчета энергосиловых  параметров прошивки 
 
заготовок в станах винтовой прокатки, при продольной прокатке труб в круглых калибрах на короткой и длинной оправках, без оправки. Изложены основные положения теории прессования, холодной периодической прокатки и 
волочения труб; обобщены результаты математического моделирования процессов производства сварных труб  малого, среднего и большого диаметра. 
Материал иллюстрирован примерами расчета практических задач с использованием ЭВМ.
Предназначен для обучающихся в бакалавриате и магистратуре по направлению подготовки «Металлургия», научных работников и специалистов 
в области обработки металлов давлением, а также может быть рекомендован 
аспирантам и инженерно-техническим работникам, специализирующимся 
в области обработки металлов давлением и трубного производства. 
УДК 621.7
А.П. Коликов, 
Б.А. Романцев, 
А.С. Алещенко, 2019
ISBN 978-5-906953-98-8 
НИТУ «МИСиС», 2019
2

Оглавление
Предисловие.............................................................................................. 7
Раздел I. Основы теории обработки металлов давлением.....................9
Глава 1. Механизмы пластической деформации металлов....................9
1.1. Структура кристаллов и дефекты.................................................... 9
1.2. Механизмы пластической деформации  
моно- и поликристаллов.
.........................................................................11
1.3. Виды деформации .
.......................................................................... 15
1.4. Элементы теории упругости.
.......................................................... 17
1.5. Элементы теории пластичности и уравнения  
состояния «σ – ε» при ОМД.
.................................................................. 25
1.6. Модели сплошных сред  
и их физические соотношения.............................................................. 30
Глава 2. Сопротивление металлов пластическому  
деформированию.
.....................................................................................34
2.1. Механические свойства металла при обработке давлением.
...... 34
2.2. Сопротивление деформации металла при горячей  
обработке давлением ............................................................................. 39
2.3. Сопротивление деформации при холодной обработке  
металла давлением.................................................................................. 46
2.4. Упрочнение металла при холодной обработке давлением.
......... 52
2.5. Эффект Баушингера.
........................................................................ 54
Глава 3. Пластичность и разрушение металлов при ОМД.
..................57
3.1. Основные понятия и определения................................................. 57
3.2. Влияние основных факторов на пластичность металлов........... 67
3.3. Пластичность и деформируемость металлов  
при обработке давлением....................................................................... 69
3.4. Разрушение....................................................................................... 82
Глава 4. Основные закономерности контактного трения 
и экспериментальные методы исследования процессов ОМД............90
4.1. Особенность трения при ОМД  
и законы трения....................................................................................... 90
4.2. Зависимость сил трения от основных технологических 
параметров............................................................................................... 93
4.3. Методы исследования трения при ОМД....................................... 96
4.4. Экспериментальные методы определения деформаций  
и напряжений при ОМД ...................................................................... 104
3

Глава 5. Инженерные методы расчета усилий  
и работы деформации при ОМД.
.......................................................... 112
5.1. Общие сведения..............................................................................112
5.2. Метод совместного решения дифференциальных уравнений  
равновесия и пластичности..................................................................115
5.3. Метод работ ................................................................................... 125
5.4. Метод линий скольжения (характеристик)................................. 127
5.5. Метод верхних оценок.
.................................................................. 131
5.6. Метод сопротивления материалов пластическим  
деформациям......................................................................................... 132
Глава 6. Математическое моделирование процессов ОМД...............136
6.1. Понятие модели и математическое моделирование.
.................. 136
6.2. Методы решения краевых задач в ОМД..................................... 141
6.3. Вариационно-энергетические методы.
........................................ 145
6.4. Численные методы .
....................................................................... 151
6.5. Метод конечных элементов.
.......................................................... 156
Раздел II. Теория процессов прокатки и прессования 
горячедеформированных бесшовных труб.
.........................................164
Глава 7. Основы теории и моделирование процесса прошивки 
заготовок в станах винтовой прокатки........................................................164
7.1. Сущность процесса и характеристика очага деформации........ 164
7.2. Скоростные параметры процесса................................................ 169
7.3. Геометрические и деформационные параметры процесса....... 172
7.4. Энергосиловые параметры процесса винтовой прокатки.
........ 176
7.5. Оценка напряженно-деформированного состояния  
металла при поперечной и винтовой прокатке.
................................. 187
7.6. Компьютерное моделирование процесса винтовой  
прокатки................................................................................................. 204
Глава 8. Процессы раскатки полых заготовок в станах  
продольной и винтовой прокатки.
........................................................216
8.1. Прокатка полых заготовок на короткой неподвижной  
оправке.
................................................................................................... 216
8.2. Раскатка полых заготовок на длинной оправке  
в нескольких клетях стана продольной прокатки............................. 237
8.3. Процессы раскатки труб на оправке  
в пилигримовых станах........................................................................ 260
8.4. Процессы раскатки труб на оправке в станах  
винтовой прокатки................................................................................ 274
4

Глава 9. Процессы калибрования и редуцирования труб.
..................283
9.1. Непрерывная прокатка труб без оправки.................................... 283
9.2. Основы теории процесса редуцирования труб.
.......................... 284
9.3. Расчет скоростного режима редуцирования............................... 292
9.4. Энергосиловые параметры процесса.
.......................................... 295
9.5. Холодное редуцирование и калибрование труб......................... 297
Глава 10. Прессование заготовок и труб..............................................300
10.1. Сущность и основные характеристики процесса.................... 300
10.2. Силовые условия прессования................................................... 305
10.3. Экспериментально-расчетная методика оценки  
напряженного состояния металла и ресурса пластичности 
при прессовании.
....................................................................................311
10.4. Модель разрушения труб по условиям устойчивости  
процесса прессования.
.......................................................................... 320
10.5. Компьютерное моделирование процесса прессования........... 328
Раздел III. Процессы холодной периодической прокатки  
и волочения труб....................................................................................333
Глава 11. Холодная прокатка труб........................................................333
11.1. Создание и развитие процесса холодной периодической 
прокатки труб.
........................................................................................ 333
11.2. Основы теории процесса холодной прокатки труб  
на станах ХПТ ...................................................................................... 334
11.3. Основы теории прокатки труб  
на роликовых станах ХПТР................................................................. 354
11.4. Математическое моделирование процесса  
периодической прокатки...................................................................... 363
Глава 12. Волочение труб......................................................................369
12.1. Способы волочения труб.
............................................................ 369
12.2. Напряженно-деформированное состояние металла  
и допустимые степени деформации .
.................................................. 371
12.3. Контактное трение и смазка  
при волочении труб.
.............................................................................. 375
12.4. Усилия при волочении труб........................................................ 378
12.5. Математическое моделирование процесса  
волочения труб...................................................................................... 383
5

Раздел IV. Процессы пластического формоизменения листовой 
трубной заготовки и сварки труб.
.........................................................388
Глава 13. Процессы формовки и сварки труб малого  
и среднего диаметра.
..............................................................................388
13.1. Процессы непрерывного пластического формоизменения 
тонколистовой заготовки .
.................................................................... 388
13.2. Напряженно-деформированное состояние металла  
при непрерывном гибе полосы .
.......................................................... 391
13.3. Расчет усилий при непрерывной формовке полосы 
и сварке труб ......................................................................................... 395
13.4. Моделирование процессов непрерывного пластического 
формоизменения тонколистовой трубной заготовки........................ 406
13.5. Процессы сварки труб малого (5...114 мм)  
и среднего (114…480 мм) диаметра.
................................................... 417
Глава 14. Процессы формовки толстолистовой заготовки  
и сварки труб большого диаметра........................................................423
14.1. Процессы формовки толстолистовой трубной заготовки....... 423
14.2. Особенности сварки труб большого диаметра.
........................ 437
Глава 15. Математическое моделирование процессов  
пластического формоизменения листовой заготовки  
при производстве труб большого диаметра........................................440
15.1. Моделирование процесса вальцевой формовки листа............ 440
15.2. Моделирование процесса прессовой формовки листовой 
заготовки по схеме UOE.
...................................................................... 443
15.3. Моделирование процессов пошаговой формовки 
на прессах по схеме JСO...................................................................... 445
15.4. Оценка напряженно-деформированного состояния  
листовой заготовки при прессовой формовке................................... 463
15.5. Моделирование процесса калибрования –  
экспандирования труб большого диаметра.
....................................... 476
Библиографический список................................................................. 483
Сведения об авторах............................................................................. 500
6

ПРЕДИСЛОВИЕ
Многолетний опыт подготовки инженеров-металлургов и инженеров-механиков в области трубного производства, накопленный 
в  Национальном исследовательском технологическом университете 
«МИСиС» на кафедре «Обработки металлов давлением» (в 2006–
2015 гг. – кафедра «Технологии и оборудования трубного производства»), послужил основой для создания учебника.
Научной базой для подготовки высококвалифицированных кадров 
является теория обработки металлов давлением, по которой авторами 
в 2015 г. издан учебник. Опыт обучения показал, что студенты с большим трудом усваивают теоретические основы процессов обработки 
металлов давлением, включая процессы трубного производства. Это 
связано с переходом на двухуровневую систему обучения – бакалавриат и магистратуру, в связи с чем срок обучения в бакалавриате сократился до четырех лет, а требования к подготовке магистров, получающих в процессе обучения специализированные знания по теории и 
технологии трубного производства, значительно возросли.
Учебник по основам теории трубного производства был подготовлен 
и издан в 1991 г. авторами И.Н. Потаповым, А.П. Коликовым и В.М. Друяном. За прошедший период в мировой и отечественной трубной промышленности созданы новые процессы производства бесшовных и 
сварных труб, при разработке которых получили развитие современные 
численные методы решения краевых задач ОМД, позволяющие проводить анализ напряженно-деформированного состояния и кинематики 
этих процессов и получать трубы высокого качества.
Авторы стремились подчеркнуть тесную связь общетеоретических 
основ пластической деформации с сущностью процессов производства бесшовных, сварных и холоднодеформированных труб, характером формоизменения металла в очаге деформации и кинематикой, 
методами определения основных параметров конкретных процессов.
Учебник состоит из четырех разделов. В первом разделе (главы 1–4) изложены общие теоретические основы пластической деформации кристаллических тел и разрушения металлов, рассмотрены 
основные закономерности контактного трения и методы экспериментального исследования деформаций и контактных напряжений при 
ОМД, а также изложены инженерные методы расчета энергосиловых 
параметров и работы деформации при ОМД. Значительное внимание 
7

уделено базовым понятиям о моделях и моделировании процессов 
ОМД, представлен анализ современных методов решения краевых задач ОМД: вариационно-энергетических и численных методов, в частности метода сеток, граничных и конечных элементов.
Во втором разделе изложены процессы винтовой, продольной прокатки и прессования, которые применяются при производстве горячедеформированных труб. Рассматриваются вопросы сущности процесса, его основные преимущества и недостатки, геометрия очага 
деформации, кинематика и действие сил трения в очаге деформации, 
обобщены результаты исследований этих процессов с использованием методов компьютерного моделирования.
В третьем разделе на современном уровне рассмотрены теоретические основы процессов холодной периодической прокатки и волочения бесшовной и сварной трубной заготовки, с применением 
математического моделирования описаны особенности напряженнодеформированного состояния металла и допустимые степени деформации при прокатке и волочении труб.
Четвертый раздел посвящен описанию процессов пластического 
формоизменения листовой заготовки, которые применяются при производстве сварных труб малого, среднего и большого диаметра. Рассмотрены теоретические основы процесса непрерывного формоизменения штрипса с применением конечно-элементного моделирования.
Особое внимание уделено процессам производства сварных труб 
большого диаметра: описаны способы формовки и сварки, а также 
обобщены результаты моделирования и экспериментального исследования процессов вальцевой и прессовой формовки толстолистовой 
трубной заготовки и предложены математические модели настроечных параметров прессового инструмента.
Авторы обобщили результаты исследования теории и математического моделирования процессов производства бесшовных и сварных труб, 
опубликованные преимущественно в отечественной научно-технической 
литературе, монографиях и многих научных статьях. В каждой главе 
приведены контрольные вопросы, а в конце учебника – библиографический список. 
Авторы выражают глубокую благодарность и признательность рецензентам – заведующему кафедрой МТ-10 МГТУ им. Н.Э. Баумана 
А.Г. Колесникову и заведующему кафедрой ИТО НИТУ «МИСиС» 
С.М. Горбатюку.
8

РАЗДЕЛ I. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ОБРАБОТКИ 
МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
Глава 1. МЕХАНИЗМЫ ПЛАСТИЧЕСКОЙ 
ДЕФОРМАЦИИ МЕТАЛЛОВ
1.1. Структура кристаллов и дефекты
Кристаллическое строение металлов. Известно, что металлы 
имеют кристаллическую структуру. Основные типы кристаллических 
решеток в металлах приведены на рис. 1.1.
а
б
в
Рис. 1.1. Типы кристаллических решеток: а – объемноцентрированная 
кубическая (ОЦК); б – гранецентрированная кубическая (ГЦК);  
в – гексагональная плотноупакованная – ГПУ [1]
Приведенные три типа решеток свойственны большинству металлов: 
–  объемноцентрированная кубическая характерна для α-, β-Fe, K, 
Na, Li, V, W, Ba, Mo, Ta; 
–  гранецентрированная кубическая – γ-Fe, Au, Cu, Pt, Ni, Pb, Ag; 
–  гексагональная плотноупакованная – Mg, Co, Zn, Be. 
Дефекты кристаллической решетки. Совершенная кристаллическая решетка является идеализированной схемой. В решетке реального кристалла имеются различные дефекты: вакансии, образующиеся при уходе атома из узла решетки; межузельные атомы, т.е. 
«лишние» атомы того же сорта, что и атомы, составляющие решетку, 
но для которых не нашлось свободных узлов; примесные (чужерод9

ные) атомы, которые обязательно присутствуют даже в самых чистых 
металлах. Подобные дефекты, связанные с одним атомом, называются точечными дефектами. Другими несовершенствами кристаллической решетки являются линейные дефекты, образующиеся в  результате незавершенного трансляционного смещения одной части 
решетки относительно другой и называемые дислокациями (рис. 1.2). 
В кристаллах также имеются и поверхностные дефекты [1–4].
Рис. 1.2. Виды дислокаций: а – краевая (линейная); б – винтовая; 
 – направление сдвига части кристаллической решетки [2, 4]
b

Рис. 1.3. Зависимость прочности от плотности дислокаций [6]
10