Исследования

Как прогнозировать разрушение до его появления

Современные технологии ковки всё чаще сталкиваются с задачей обработки трудно-деформируемых материалов — таких как магниевые сплавы или высокопрочные стали. В этих условиях риск образования трещин возрастает, особенно при сложной геометрии деталей, высоких скоростях деформации и неравномерных температурных полях. Чтобы минимизировать потери и повысить надёжность, необходима точная система оценки риска разрушения уже на стадии проектирования процесса.

Методика: испытания + моделирование

Разработанный подход сочетает лабораторные испытания на сжатие и моделирование методом конечных элементов (МКЭ) в программной среде QForm. Это позволяет:

• оценить критические точки начала разрушения;

• количественно определить параметры процесса в зоне риска;

• использовать критерии разрушения Cockcroft & Latham и Rice & Tracey.

🔧 Испытательная установка: гидравлический пресс усилием 5 МН
📏 Измерения: сила, температура, скорость, форма деформации

Почему важно проводить оценку заранее

Новая форма заготовки или нестандартный материал требуют не просто пробной ковки, а анализа рисков. Это позволяет:

• Снизить число дорогостоящих опытных партий

• Предотвратить отказы на стадии серийного производства

• Улучшить геометрию заготовки и выбор параметров ковки

Процесс разрушения цилиндрического образца при сжатии

Примеры: от хирургических щипцов до деталей мотоцикла

В рамках исследования была проведена оценка риска разрушения при ковке:

Компонент мотоцикла, изготовленный из (А) магниевого сплава и (В) алюминиевого сплава, сразу после ковки.

Математика разрушения: два критерия

Для количественной оценки применялись два классических критерия:

📐 Коэффициент триаксиальности напряжений (TF):

​

📐 Критерии разрушения:

• 

• ​Графики зависимости:
  A – нагрузка от времени;
  B – среднее напряжение и эффективная деформация;
  C – растягивающее напряжение;
  D – интеграл критерия разрушения Cockcroft & Latham, C = 6.104

Моделирование в QForm: ключ к прогнозу

Применение QForm позволило:

• Получить 3D-поля напряжений и деформаций

• Установить точку начала разрушения (точка P)

• Подтвердить экспериментальные данные моделированием

Анализируемые части: а) хирургические щипцы из нержавеющей стали; b, c) часть ручки для мотоциклов из магниевого сплава с локализацией трещин; d) кованые части являются конечными продуктами.

Как использовать результаты

Моделирование позволило внести конкретные изменения в технологический процесс:

• изменить геометрию заготовки;

• скорректировать схему охлаждения;

• подобрать более безопасные параметры давления и скорости деформации.
  

• Результаты моделирования QForm для ковки хирургических щипцов: а) конечная форма с локализацией точки P; б) распределение растягивающего напряжения; c) оценка риска перелома на основе критерия перелома Кокрокта и Латхама.

Оценка критических значений критерия разрушения в поддельной части: а) действительная часть; б) результат моделирования в QForm; в) распределение температуры; d) Распределение критерия разрушения риса и трассировки.

Вывод: инженерный подход к надёжности

Предложенный метод сочетает практические испытания и цифровое моделирование. Он даёт объективную основу для:

• предупреждения брака;

• повышения долговечности штампов;

• оптимизации процесса ковки на этапе проектирования.

📌 Рекомендовано к применению в разработке технологий для штамповки сложных деталей и трудно-деформируемых материалов.

Если готовы внедрять передовые подходы в проектирование процессов ковки — свяжитесь с нами. Мы поможем подобрать оборудование и ПО под конкретные задачи.

Современное кузнечное производство невозможно представить без надёжной и точно спроектированной оснастки. Штампы — ключевой элемент, определяющий качество, точность и эффективность ковочного процесса. Их стоимость высока, но ещё выше цена простоя из-за износа или ошибок в конструкции. Поэтому понимание принципов проектирования и анализа матриц — стратегическое преимущество для предприятий, работающих в области кузнечно-прессового оборудования.

Почему важно понимать конструкцию штампов?

Каждый производитель ковочного инструмента знает: чтобы штампы служили дольше, они должны быть грамотно спроектированы, правильно эксплуатироваться и своевременно обслуживаться. Современные технологии, такие как САПР, метод конечных объёмов (FEA), 3D-моделирование и измерения на CMM (координатно-измерительных машинах), позволяют не только повысить точность конструкции, но и заранее предсказать поведение оснастки в процессе ковки.

Рис. 1. По часовой стрелке сверху слева: сетка нижней матрицы, модель заключительного этапа ковки, полусимметричная заготовка и гладкие кривые, полученные на CMM.

Пример 1: Анализ износа при горячей штамповке

Исследование, проведённое группой инженеров из Индии (П. Нареш и др.), было посвящено оценке износа закрытой матрицы на финальной стадии горячей ковки. В работе применялся метод конечных объёмов и 3D-моделирование на базе MSC SuperForge, а также проводилось сравнение с реальной изношенной оснасткой, измеренной на CMM.

Ключевые параметры, влияющие на износ:

Исследование показало, что в зонах, приближенных к линии разъёма, возникают значительные пластические деформации, в то время как в центральных частях полости — они отсутствуют.

Рис. 2. Слева — нагрузка в конце ковки; справа — момент начала сжатия заготовки.

Рис. 3. Термографическое распределение контактного давления в зоне контакта штампа и заготовки.

Пример 2: Увеличение производительности за счёт редизайна штампа

В другом исследовании была реализована идея одновременного изготовления двух шатунов на одном молоте. С помощью программ SolidEdge и DEFORM 3D инженеры разработали новый штамп, в котором перераспределение усилия обеспечивало равномерное заполнение обеих полостей.

Результат:
– Увеличение выпуска шатунов на 200%
– Снижение энергозатрат
– Отсутствие дефектов при формовке

Это пример того, как грамотный подход к проектированию и моделированию может радикально изменить производственный цикл и существенно повлиять на экономику процесса.

Вывод

Понимание трибологических и конструктивных особенностей штампов позволяет не только снизить их износ, но и повысить общую эффективность ковки. Современные цифровые технологии дают производителям кузнечного оборудования и оснастки мощный инструмент для прогнозирования, оптимизации и повышения надёжности всего цикла.

🔧 Если вы ищете решения для модернизации ковочного производства, наши специалисты помогут подобрать и внедрить современные инструменты проектирования и ковочное оборудование под ваши задачи.

В современных условиях кузнечно-прессового производства предприятия сталкиваются с необходимостью сокращения издержек, повышения качества продукции и уменьшения количества брака. Одним из эффективных путей решения этих задач становится моделирование процессов штамповой ковки с применением программных комплексов (таких как DEFORM, QForm и др.). В этой статье рассмотрены реальные примеры проектно-ориентированного подхода к оптимизации процессов и инструментов.

Моделирование как основа прецизионной настройки

Моделирование позволяет исследовать влияние различных параметров на результат ковки: геометрию заготовки, скорость деформации, температуру, схему наложения ударов и другие факторы. Это особенно актуально при разработке новых изделий или модернизации устаревших процессов.

Традиционный подход включает ручную настройку и последовательное моделирование изменений: от геометрии штампа до параметров нагрева. Итерации строятся на основе принципа A–B сравнения, что позволяет инженеру сузить выбор и найти оптимальное решение.

Одним из таких кейсов стал проект по оптимизации штамповой ковки гаечного ключа на предприятии Green Bay Drop Forge. Моделирование выявило избыточное количество ударов, высокую чувствительность к положению заготовки и значительное количество вспышек.

Результаты позволили снизить количество ударов на 22%, улучшить однородность вспышки и повысить стабильность процесса.

Инженерный анализ с экономическим эффектом

Другой пример — проект PRO-FAST, реализованный при участии Delfasco Forge, SFTC и оборонных структур США. Целью было снижение брака при производстве металлических пластин с болтами.

Первичный процесс показывал до 11% лома. Моделирование выявило слабые места в управлении потоком материала и позволило разработать схему предварительной формовки, которая обеспечила стабильную заполняемость штампа.

Внедрение модифицированной схемы дало впечатляющий результат — сокращение брака до 3% и экономию более $100 000 уже после 16 000 поковок.

Таблица: Эффективность внедрения моделирования

Выводы и рекомендации

Моделирование ковочно-штамповочных процессов — это не просто «прогон в софте». Это мощный инструмент, позволяющий:

• выявлять слабые места технологии ещё до запуска в производство;

• проводить экономическое обоснование изменений;

• адаптировать ковочное оборудование под новые задачи;

• сокращать количество итераций вживую и снижать затраты.

Такие технологии особенно эффективны при использовании современных ковочных прессов и молотов с ЧПУ, где точность и повторяемость критичны. Мы рекомендуем предприятиям, работающим в области горячей и холодной штамповки, интегрировать моделирование в процесс разработки и сопровождения производства.

Если нужна помощь в выборе оборудования, подходящего для реализации таких решений — обращайтесь, мы подберем оптимальный вариант под вашу задачу.

В условиях геополитической нестабильности и санкционного давления вопросы импортозамещения приобрели для российской промышленности стратегическое значение. Особенно остро эта тема стоит в таких отраслях, как металлургия, энергетическое и тяжёлое машиностроение. Ковочно-прессовое оборудование — одна из критически важных позиций, где необходимо не просто снижать зависимость от импорта, а развивать собственные компетенции и производственные мощности.

Импортное оборудование: дорого, долго и небезопасно

С каждым годом увеличивается количество обращений промышленных предприятий в Минпромторг РФ с просьбами об освобождении от НДС на закупку импортных прессов, гидравлических систем и автоматизированных систем управления (АСУ) для ковочного оборудования. Формальный аргумент — «аналогов в России нет».

На практике — это не всегда соответствует действительности. Например:

• ОАО «Уралмашзавод» и ОАО «Тяжпрессмаш» могут изготавливать ковочные прессы усилием 25–60 МН по техзаданию;

• ЗАО «АСиК» (г. Екатеринбург) проектирует и внедряет САУ ковочными линиями, включая интеграцию манипуляторов и печей;

• ООО «Уральский инжиниринговый центр» (Челябинск) успешно модернизирует системы гидропривода и управления на предприятиях вроде «ВСМПО-АВИСМА», «Северсталь», «ММК».

Во всех перечисленных случаях российские предприятия действительно имеют опыт, ресурсы и технологии для реализации аналогичных или более адаптированных решений.

Почему покупка импортного оборудования — риск для экономики

• Сроки поставки — от 12 месяцев и более, не включая время на запуск и адаптацию;

• Отсутствие документации и сложности с обслуживанием после окончания гарантии;

• Сложности с заменой деталей и признанием заводского брака;

• Зависимость от курсов валют и политических решений стран-поставщиков;

• Недоиспользование потенциала отечественных машиностроителей, которые в условиях дефицита заказов простаивают.

Современное ковочное оборудование — это не техника 60-х годов

Речь уже не идёт о ручных пресах и молотах. Сегодняшний ковочный комплекс — это:

• автоматическое управление прессом и манипуляторами;

• контроль температуры заготовки и интеграция с печами;

• цифровая запись технологических параметров;

• высокая точность и повторяемость операций;

• безопасность и снижение нагрузки на персонал.

Всё это реализуемо в России, при наличии чёткого заказа, корректного техзадания и государственной поддержки.

Что мешает развитию?

1. Отсутствие системной коммуникации между госорганами и промышленностью. Минпромторг часто запрашивает информацию о производителях «задним числом» — уже после подписания импортного контракта.

2. Недостаточный анализ предложений от российских компаний. Хотя в отрасли известны производители, способные выполнить заказ, зачастую этот путь даже не рассматривается.

3. Отсутствие механизма предварительной экспертизы контрактов. Важно не просто запрашивать мнения у НИИ и заводов, а создавать централизованную базу производителей, их возможностей и реализованных проектов.

Что нужно делать?

🔧 Предложение: полностью запретить закупку по импорту кузнечно-прессового оборудования, если оно изготавливается по индивидуальному проекту и имеет подтверждённые российские аналоги.

✅ Освобождение от НДС и госфинансирование должно предоставляться только после заключения от отраслевых предприятий, подтверждающих невозможность его изготовления в РФ.

🏭 Восстановление тяжёлого машиностроения — это:

• развитие смежных отраслей (металлургия, литьё, мехобработка);

• создание рабочих мест;

• технологическая независимость;

• повышение обороноспособности и промышленной безопасности.

Вывод

Российская промышленность унаследовала от СССР колоссальный парк оборудования и уникальную инженерную школу. Однако без системной модернизации и поддержки машиностроения невозможно на равных конкурировать в атомной, авиационной и энергетической отраслях.

Сегодня у нас есть всё, чтобы производить ковочные прессы, автоматизированные системы управления и гидравлику внутри страны. Необходимо лишь желание использовать эти ресурсы и поддержка на уровне промышленной политики.

В горячей объёмной штамповке эффективность процесса зависит не только от металла, пресса или штампа, но и от правильного выбора смазки. Качественная смазка снижает трение, уменьшает износ, улучшает заполнение гравюры и обеспечивает стабильность процесса. Особенно важна эта тема в условиях стремления предприятий к снижению затрат, повышению срока службы ковочной оснастки и экологизации производства.

Влияние смазки на срок службы штампа

На большинстве предприятий стоимость ковочного штампа составляет до 10–15% от стоимости кованой детали. Повышение ресурса ковочной оснастки напрямую влияет на себестоимость и производительность.

Ключевые факторы, продлевающие срок службы штампа:

• правильный выбор стали и термообработка штампа;

• антинакипные покрытия и азотирование;

• оптимальная конструкция гравюр (радиусы, уклоны);

• снижение трения с помощью подходящей смазки;

• корректное и своевременное нанесение смазочного материала.

Что должна обеспечивать смазка для горячей штамповки

Эффективная смазка для ковочных штампов должна:

• снижать трение между заготовкой и гравюрой;

• обеспечивать равномерное заполнение полости матрицы, особенно в деталях со сложной геометрией;

• работать как разделительный слой, облегчая извлечение поковки;

• защищать штамп от перегрева и снижать теплопередачу;

• не вызывать дефекты штамповки и не загрязнять матрицу;

• быть экологически безопасной и экономически оправданной.

Неправильный выбор или избыточное нанесение смазки приводит к снижению ресурса штампа, браку, простою оборудования и даже потере клиента из-за срыва сроков поставки.

Методы нанесения смазки: точность имеет значение

На практике смазка наносится:

• вручную (на небольших участках или при наладке);

• автоматически — синхронно с ходом пресса (основной способ).

Особенно важно равномерно покрывать глубокие или сложные гравюры. Недостаток смазки ухудшает поток металла, а избыток вызывает отложения и перегрев/переохлаждение матрицы. Важно учитывать, что даже при правильно организованной технологии стоимость смазки составляет менее 2% от стоимости штампованной поковки — а её неправильное использование может повлиять на 100% партии.

Переход от графитовых к безграфитовым смазкам

Исторически в горячей ковке применялись смазки на основе графита, как наиболее доступные и эффективные. Но сегодня у графита есть серьёзные недостатки:

• загрязнение рабочих зон и оборудования;

• опасность для здоровья (выделение CO и SO₂ при высоких температурах);

• засорение форсунок и трубок в автоматических системах;

• загрязнение поковок и сложность в контроле толщины слоя.

Безграфитовые водорастворимые смазки: новое поколение

Современные безграфитовые смазки на водной основе становятся всё более популярными благодаря:

• экологичности и безопасности (включая биоразлагаемость);

• снижению износа матрицы за счёт точного контроля плёнки;

• отсутствию необходимости в перемешивании и фильтрации;

• экономии затрат на обслуживание (нет отложений графита);

• снижению расхода смазки при равной или лучшей эффективности.

Такие смазки особенно хорошо работают при горячей штамповке деталей массой до 12 кг — и уже доказали свою эффективность на практике.

Как выбрать правильную смазку

При подборе смазки нужно учитывать:

• глубину и форму полости матрицы;

• массу и геометрию поковки;

• тип оборудования и способ подачи смазки;

• температурный режим;

• требования к чистоте, экологии и себестоимости.

Наиболее надёжный способ определить оптимальный состав и степень разбавления — провести полевые испытания в условиях вашего производства.

Заключение

Использование качественной, грамотно подобранной смазки — это не только вопрос ресурса ковочного штампа, но и стратегия повышения производительности и снижения затрат. Современные безграфитовые составы позволяют минимизировать технические и экологические риски, улучшить стабильность процесса и снизить брак.

Если вы планируете обновить систему смазки на своём ковочном производстве — мы готовы помочь подобрать оптимальное решение, провести тестирование и внедрение.

👉 Свяжитесь с нами — подберём смазку, которая увеличит срок службы ваших ковочных штампов.

Современное кузнечно-прессовое производство всё чаще сталкивается с необходимостью обработки давлением высокопрочных и жаростойких материалов — титана и суперсплавов. Эти сплавы находят применение в авиации, энергетике, медицине и химической промышленности благодаря уникальным характеристикам: высокой прочности, коррозионной стойкости и термостойкости.

Однако ковка и штамповка титана и суперсплавов — это сложный технологический процесс, требующий специализированного кузнечно-прессового оборудования и строгого соблюдения режимов.

Ковка и штамповка суперсплавов: высокая температура, высокая точность

Суперсплавы (Inconel, Waspaloy, Hastelloy и др.) имеют сложную многокомпонентную структуру, обеспечивающую высокую жаропрочность и стойкость к ползучести. Но это же делает их труднообрабатываемыми.

Ключевые особенности ковки суперсплавов:

• Многоступенчатая ковка с промежуточной термообработкой
• Точный контроль температуры — перегрев может вызвать рост зёрен, а недогрев — растрескивание
• Высокое давление прессования — необходимо для деформации малопластичных заготовок
• Отжиг и старение поковки после ковки и штамповки — восстанавливают структуру и свойства

Для таких задач требуются горячештамповочные гидравлические и механические прессы с высокой жёсткостью, а также прецизионные манипуляторы и системы термоконтроля.

Ковка титановых сплавов: лёгкость и высокая реакционная активность

Титановые сплавы (Ti-6Al-4V, Ti-6-2-4-2 и др.) востребованы в изделиях, где важны лёгкость, прочность и устойчивость к агрессивным средам. Особенность титана — высокая реакционная способность, что требует применения защитной атмосферы при ковке.

Особенности ковки титана:

• Температурный режим: ковка в диапазоне 900–980 °C
• Быстрая ковка для сохранения мелкозернистой структуры
• Ковка в инертной среде: азот, аргон или водород
• Сложность мехобработки после ковки — требует высокой точности прессования

Кузнечные линии для обработки титана оснащаются специализированными индукционными нагревателями, прессами с высокой точностью усилия и интегрированными системами измерения и захвата.

Оборудование для ковки суперсплавов и титана

Для стабильного и качественного результата требуется комплекс оборудования:

• Индукционные установки для нагрева ковочных заготовок
• Горячештамповочные прессы усилием до 100 000 кН
• Ковочные манипуляторы с высокой точностью позиционирования
• Системы для промежуточной и финальной термообработки
• Лазерные и сенсорные системы контроля
• Автоматизированные комплексы перемещения и хранения

Такие решения позволяют минимизировать ручной труд, сократить риск брака и адаптировать линии под разные марки и размеры заготовок.

Где применяются титан и суперсплавы?

• Авиакосмическая отрасль: диски турбин, лопатки, обшивка, детали фюзеляжа
• Энергетика: компоненты турбин и котлов
• Медицина: имплантаты и протезы
• Нефтехимия: жаростойкие и коррозионностойкие элементы оборудования

Ищете надёжное оборудование для ковки титана и суперсплавов?

Мы помогаем предприятиям модернизировать и запускать кузнечно-прессовые линии для работы с титаном, Inconel, Hastelloy и другими сплавами. Предлагаем:

• Подбор оборудования под задачи клиента
• Интеграцию автоматизации и термоконтроля
• Техническое сопровождение и обучение

📩 Свяжитесь с нами, чтобы подобрать эффективное решение под ваш технологический процесс.

Ковка суперсплавов и титановых сплавов — это высокотехнологичный процесс, без которого сегодня невозможно производство ключевых деталей в таких сферах, как авиация, энергетика, газотурбинное машиностроение, химическая промышленность и космическая отрасль. Эти металлы уникальны своими свойствами — высокой жаропрочностью, коррозионной стойкостью и прочностью при экстремальных температурах. Но именно из-за этих же качеств ковка таких сплавов — одна из самых сложных операций в металлургии.

Что такое суперсплавы и зачем их ковать?

Суперсплавы, или жаропрочные сплавы, представляют собой сложные композиции никеля, кобальта, хрома и других легирующих элементов. Их отличает способность работать при температурах свыше +1000 °С, сохраняя прочность, стойкость к ползучести и окислению. Они незаменимы в производстве деталей для газотурбинных двигателей, лопаток турбин, выхлопных систем, а также для оборудования нефтегазовой и химической промышленности.

Однако в сравнении с обычными сталями суперсплавы гораздо более тугоплавкие и обладают высокой сопротивляемостью деформации. Это существенно усложняет их ковку и штамповку.

Особенности ковки суперсплавов

Сложное легирование

В отличие от обычных сталей, суперсплавы легируют сразу несколькими элементами. За счёт твёрдорастворного и дисперсионного упрочнения они достигают выдающихся характеристик прочности и жаростойкости. Но при этом их пластичность при высоких температурах часто снижена, что увеличивает риск трещинообразования при ковке.

Температурные режимы

Один из ключевых моментов в ковке суперсплавов — соблюдение точного температурного диапазона. Для сплавов, упрочняемых выделениями, процесс обычно ведут ниже температуры начала выделения фаз, чтобы избежать резкого падения пластичности и предотвратить разрушение заготовки.

В российской практике эти параметры строго регламентированы ГОСТами или ТУ.

Технологии ковки суперсплавов

Ступенчатый нагрев

Прежде чем начинать ковку, заготовку тщательно прогревают в несколько этапов (так называемый «ступенчатый прогрев»). Это снижает температурные напряжения и риск образования трещин.

Многоступенчатая ковка

Многие суперсплавы требуют выполнения ковки в несколько этапов, чередуя её с операциями термообработки (отжиг, нормализация). Это позволяет снять остаточные напряжения и восстановить пластичность металла.

Высокие давления

Из-за высокой твёрдости суперсплавов для их ковки применяют мощное оборудование. Например, используются гидравлические прессы усилием 10 МН и выше, способные развивать колоссальное давление.

Термообработка

После ковки суперсплавы обязательно подвергают термообработке — закалке, отпуску или старению, чтобы достичь необходимых механических характеристик и устранить внутренние напряжения.

Примеры суперсплавов и их применения

Некоторые распространённые марки суперсплавов:

• Inconel (Инконель) — жаропрочный сплав никеля, широко применяемый в авиационных двигателях и турбинах.

• Hastelloy (Хастеллой) — известен высокой коррозионной стойкостью, используется в химической промышленности и при работе в агрессивных средах.

• Waspaloy (Васпалой) — обладает отличной стойкостью к ползучести и долговременной прочностью при высоких температурах.

Все эти материалы активно применяются там, где требуется эксплуатация при температурах свыше +800…+1000 °С и воздействии агрессивных факторов.

Ковка титановых сплавов: тонкости и нюансы

Наряду с суперсплавами, огромную роль в современной промышленности играет ковка титановых сплавов. Титан ценится за своё уникальное сочетание малой плотности, высокой прочности, жаропрочности и коррозионной стойкости. Особенно востребован он в авиации, ракетно-космической технике, судостроении и медицине.

В России для титана и его сплавов используются собственные маркировки по ГОСТ (например, ВТ6, ВТ14, ВТ20, ПТ3В), каждая из которых имеет своё назначение:

• ВТ6 (Ti-6Al-4V) — самый популярный титан в авиации и машиностроении.

• ВТ14 — используется при повышенных температурах благодаря отличной жаропрочности.

• ВТ20 — востребован в медицине и химическом машиностроении за счёт хорошей коррозионной стойкости.

Особенности ковки титана

Ковка титана сложнее из-за ряда специфических свойств:

• высокая химическая активность при температурах свыше 600 °С;

• склонность к поглощению газов (кислород, азот, водород), вызывающая образование губчатого слоя;

• узкий диапазон температур ковки (для ВТ6 — 880–950 °С);

• высокая пружинистость материала, затрудняющая получение точных размеров.

Ключевые технологии ковки титана

Защитная атмосфера

Чтобы предотвратить окисление и газонасыщение, часто используют нагрев и ковку титана в вакууме или в инертной атмосфере. Также применяют специальные стеклянные или керамические покрытия для защиты поверхности.

Быстрая ковка и охлаждение

Для сохранения мелкозернистой структуры и высоких механических свойств после ковки титановые поковки зачастую быстро охлаждают.

Механическая обработка

После ковки титановые поковки требуют тщательной механической обработки. Высокая пружинистость титана и его абразивное воздействие приводят к интенсивному износу инструмента.

Итог

Ковка суперсплавов и титана остаётся одним из самых технологически сложных и ответственных этапов в производстве деталей для авиации, энергетики, турбин, судостроения и медицины. Без этих материалов невозможно представить современные газотурбинные двигатели, выхлопные системы, имплантаты и другие высокотехнологичные изделия.

Работа с такими сплавами требует точного соблюдения температурных режимов, использования мощного кузнечного оборудования и применения современных методов контроля качества. И в этом — ключ к созданию надёжной и долговечной продукции, способной работать в экстремальных условиях.

Ищете оборудование или технологии для ковки суперсплавов и титана? Мы поможем подобрать решение под ваши задачи — от ковочных прессов до инструментальной оснастки.

Ни один производитель кузнечных штампов не сомневается в их высокой ценности. От правильного проектирования и аккуратной эксплуатации матриц зависит не только долговечность инструмента, но и стабильность всего процесса ковки. Почему ковочные штампы так ценны — давно не секрет. Но именно знание тонкостей проектирования — лучший способ понять, как эту ценность сохранить.

Современные технологии моделирования и высокоскоростной вычислительный анализ сделали проектирование штампов более точным и надежным. Они позволяют изучать влияние множества переменных и глубже понимать процессы, происходящие в матрице. Вот несколько ярких примеров таких исследований.

Дизайн и анализ горячей штамповки

В одном из исследований P. Naresh, A. V. Hari Babu, V. Madhava и M. Sudhakar Reddy был проведен анализ износа закрытой матрицы на финальной стадии горячей ковки. Геометрию заготовки измеряли на координатно-измерительной машине (CMM) и сравнивали с CAD-моделью матрицы, а также с уже изношенной матрицей, полученной после реального цикла ковки.

Процесс горячей ковки проводился при температуре заготовки 1100°C и температуре штампа 300°C. Материал заготовки — инструментальная сталь AISI L6 или DIN 1.4021. Использовался механический пресс усилием 1600 тонн.

Моделирование выполнялось методом конечных объемов в программе MSC SuperForge. Анализ включал изучение:

• потоков материала в полости матрицы,

• заполнения полости,

• распределения контактного давления,

• скоростей скольжения,

• температурного распределения в штампе.

Рисунок 1. По часовой стрелке сверху слева: сетка нижней матрицы, сгенерированная в Pro/Engineer; твердая модель нижней матрицы на финальной стадии ковки; полусимметричная твердая модель заготовки; контуры матрицы, созданные на основе данных CMM-измерений.

Глубину износа рассчитывали по уравнению Арчарда, используя результаты моделирования. Затем реальные измерения поверхности изношенного штампа на CMM сравнивали с расчетными данными, чтобы определить так называемый размерный коэффициент износа для разных точек на поверхности.

Из анализа выяснилось, что в зоне линии разъема, где возникают высокие эффективные напряжения, наблюдается пластическая деформация матрицы. В нижней части полости, где напряжения меньше, пластической деформации почти нет.

Также установлено:

• высокая скорость скольжения (0,2 – 0,5 м/с),

• контактное давление в диапазоне 100 – 300 МПа,

• рабочая температура сильно влияет на износ штампа.

Это подтвердило, что механический износ является доминирующим механизмом разрушения.

Дизайн и анализ ковочного штампа для производства нескольких шатунов

В другом исследовании C.E. Megharaj, P.M. Nagaraj и K. Jeelan Pasha показали, как можно значительно повысить производительность ковочного молота за счет изменения конструкции штампа. Они поставили задачу проектировать штамп, который позволит выковывать два шатуна за один цикл, вместо одного.

Проектирование велось в SolidEdge. Чтобы проверить новую конструкцию, 3D-модель переводили в формат STL для импорта в DEFORM 3D. Далее проводился анализ заполнения полости и вычислялась энергия, необходимая для ковки двух деталей.

Рисунок 2. Графики предсказания нагрузки и распределение усилий при ковке шатунов, полученные в результате моделирования DEFORM 3D. Слева — нагрузка в конце ковки, справа — нагрузка при начале контакта пуансона с заготовкой.

Результат оказался впечатляющим. Новая конструкция штампа:

• не содержала дефектов,

• обеспечивала полный пролив металла в полости,

• потребовала энергии, которая укладывалась в возможности молота.

Итог — увеличение выпуска шатунов на 200% при том же времени цикла.

Анализ износа горячих штампов

Третья работа, проведенная Siamak Abachi, Metin Akkök и Mustafa Ilhan Gökler, была посвящена анализу износа штампов в заключительной стадии горячей ковки. Они также использовали метод конечных объемов для моделирования и рассчитали глубину износа с постоянным коэффициентом.

Сравнение расчетов и измерений показало, что износ концентрируется в областях повышенных напряжений. Особенно это касается зон возле линии разъема, где развиваются значительные эффективные напряжения и возможна пластическая деформация. В нижней части полости напряжения меньше, и пластическая деформация практически отсутствует.

Ключевые факторы, влияющие на износ:

• рабочая температура,

• контактное давление,

• скорость скольжения,

• длительность контакта.

Рисунок 3. Термографическое изображение распределения контактного давления в процессе горячей ковки. Красные зоны соответствуют максимальным давлениям, а синие — минимальным.

Скорость скольжения в диапазоне 0,2–0,5 м/с и контактное давление 100–300 МПа определяют характер механического износа, который в этих условиях становится основным механизмом разрушения штампа.

Выводы

Все эти примеры демонстрируют, насколько современные методы компьютерного моделирования помогают:

• глубже понимать процессы ковки,

• уменьшать износ инструмента,

• оптимизировать проектирование матриц,

• снижать издержки производства.

Знание того, как именно проектируется и работает ковочный штамп, — лучший путь к его долгой и надежной эксплуатации.

Современные кузнечно-прессовые производства всё чаще используют моделирование ковочно-штамповочных процессов для повышения эффективности, снижения затрат и улучшения качества поковок. Такая методика позволяет инженерам проектировать новые процессы или модернизировать существующие, выявляя проблемные зоны ещё на этапе виртуальной проработки. В этой статье разберём примеры практического применения моделирования в кузнечном производстве.

Почему моделирование становится ключевым инструментом в кузнечном производстве

С ростом конкуренции в отрасли производители вынуждены искать пути:

• снижения себестоимости продукции;

• минимизации отходов;

• повышения стабильности и повторяемости процессов.

Программные комплексы для моделирования позволяют инженерам глубже понимать процессы деформации металла, прогнозировать поведение материалов и корректировать технологические режимы ещё до запуска оборудования. Это помогает:

• сократить время на запуск новых изделий;

• снизить процент брака;

• экономить затраты на испытания и опытные партии.

Традиционные подходы к оптимизации ковки

До появления современных цифровых инструментов оптимизация ковочно-штамповочных процессов строилась в основном на ручном опыте специалистов. Метод заключался в пошаговых изменениях параметров процесса:

• формы инструментов (штампов);

• характеристик материала;

• условий нагрева или скорости удара.

Инженеры последовательно моделировали каждую новую конфигурацию, сравнивая результаты — часто по принципу A-vs.-B. Объём работы ограничивался:

• доступными вычислительными ресурсами;

• временем наладки моделей;

• трудозатратами на анализ результатов.

Такие исследования могли быть очень трудоёмкими, особенно если речь шла о сложных штампах или больших сериях изделий.

Пример №1: Оптимизация ковки гаечных ключей

Яркий пример применения моделирования описан в работе Эдгара Эспинозы. Он исследовал процесс производства гаечных ключей на заводе Green Bay Drop Forge. Исходный процесс требовал:

• большого числа ударов ковочного молота;

• значительных потерь материала из-за вспышки металла;

• высокой чувствительности к точности позиционирования заготовки в штампе.

Используя Unigraphics NX для конструирования новых инструментов и программный комплекс DEFORM для моделирования, инженеры протестировали несколько вариантов изменений конструкции штампов и технологии ковки.

Итоговый редизайн позволил:

• сократить количество ударов молота на 22 %;

• уменьшить объём вспышки;

• повысить стабильность процесса за счёт меньшей чувствительности к позиционированию заготовки.

На рисунке 1 сравниваются исходный и оптимизированный варианты кованого гаечного ключа.

 Рисунок 1. Сравнение оригинального (а) и оптимизированного (б) кованого гаечного ключа

Пример №2: Проект PRO-FAST и снижение брака

Ещё один значимый кейс — проект PRO-FAST, в котором участвовали:

• Delfasco Forge;

• SFTC;

• Консорциум кузнечно-прессового оборонного производства (FDMC);

• Агентство по логистике обороны США (DLA).

Исходный процесс ковки имел уровень брака 11 %, несмотря на строгий контроль. Инженеры использовали DEFORM для создания цифровой модели «как есть», чтобы выявить причины проблем.

Выяснилось, что неточная укладка рулонов материала вызывала непостоянство формы поковок. В ходе моделирования была предложена новая операция предварительной формовки, обеспечивающая более предсказуемый поток металла в штампе.

После внедрения изменений результаты впечатлили:

• процент брака снизился с 11 % до 3 %;

• общая экономия составила более 100 000 долларов;

• улучшилось качество продукции и стабильность производства.

На рисунке 2 показаны исходный и изменённый штампы для изготовления пластин с болтами.

Рисунок 2. Оригинальные и оптимизированные штампы для пластин с болтами»

Итоги и перспективы

Методы моделирования ковочно-штамповочных процессов стали неотъемлемой частью проектирования ковочно-прессового оборудования и технологических процессов. Их применение даёт:

• снижение затрат на производство;

• уменьшение количества брака и отходов;

• более быструю разработку новых изделий;

• повышение стабильности технологических процессов.

Сегодня такие подходы особенно актуальны в условиях жёсткой конкуренции и необходимости производить поковки сложной формы с минимальными потерями материала.

Если ваша компания задумывается об обновлении процессов или модернизации оборудования, моделирование ковочно-штамповочных процессов станет вашим конкурентным преимуществом и источником значительной экономии.