Исследования

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.