Ковочная технология, интегрирующая приципы industry 4.0 в автономную ковочную машину с ЧПУ. Опыт США
За последние 75 лет производство в США сделало значительные шаги в области технологий, таких как механическая обработка с ЧПУ и аддитивное производство. Несмотря на это, кузнечная промышленность не продемонстрировала столь заметного прогресса за тот же период, в течение которого механическая обработка с ЧПУ и аддитивное производство значительно развились.
Это расхождение объясняется более высоким требуемым уровнем энергии и уникальными техническими вызовами, присущими ковке. Хотя ковка является одним из старейших производственных процессов, такие проблемы, как ограниченная видимость во время процесса (так называемое явление «чёрного ящика»), сложное поведение материала и недостаточно развитые предсказательные возможности, приводили к тому, что инновации в ковке развивались медленнее, чем в других направлениях обработки металлов.
Многое было сказано о применении принципов Индустрии 4.0 к ковке как пути к развитию новых технологий. Хотя определённые технологии — сенсоры, автоматизация и искусственный интеллект — улучшили отдельные этапы ковочного процесса, их полная интеграция, которая преобразовала бы процесс в единую систему, до сих пор оставалась неуловимой целью.
Метаморфное производство
Метаморфное производство отличается от субтрактивного производства (например, механической обработки с ЧПУ) и аддитивного производства (например, 3D-печати) по своей сути: оно преобразует форму исходного материала в конечную деталь без добавления или удаления материала. Этот процесс значительно более энергоэффективен, чем другие виды обработки металлов, так как не требует плавления, затвердевания, спекания или повторного нагрева материала. Кроме того, он устраняет отходы, связанные с удалением материала, и позволяет достичь улучшения свойств вплоть до соотношения 10:1.
Однако путь к реализации практического метаморфного производства — иногда называемого «ковкой с ЧПУ» (CNC forging) или «роботизированной ковкой» — значительно сложнее, чем развитие механической обработки или аддитивных технологий.
Национальный научный фонд (NSF) профинансировал создание многоинституционального инженерного исследовательского центра HAMMER ERC (Hybrid Autonomous Manufacturing – Moving from Evolution to Revolution). Это первый всесторонний центр, направленный на объединение сенсоров, автоматизации, искусственного интеллекта и данных в единую интегрированную производственную платформу.
Платформа Agility Forge
Разработанная в рамках NSF HAMMER ERC система Agility Forge — это полностью роботизированная ковочная платформа, которая преобразует металлическую заготовку в готовое изделие без участия человека.
Agility Forge основана на концепции STRAP — объединении сенсоров, робототехники, автоматизации и компьютерного управления. Используя принципы Индустрии 4.0, она внедряет эти технологии непосредственно в процесс ковки.
Наша цель — создать систему, где сенсоры и ИИ автоматически анализируют и корректируют последовательность ударов и движение заготовки, чтобы сформировать деталь из исходного материала.
Моделирование процесса ковки
Мы разработали собственное программное обеспечение, которое способно идентифицировать все этапы процесса (нагрев, выбор инструмента, траекторию удара, поворот заготовки) и моделировать путь деформации от исходной заготовки до целевой формы.
Это позволяет не только предсказывать форму детали как функцию нагрева и ковки, но и прогнозировать изменяющуюся микроструктуру в процессе — в зависимости от рекристаллизации, роста зерна и циклов нагрева-охлаждения.
Термомеханическое моделирование
С помощью анализа термодинамических данных мы можем связывать структуру и свойства материала с поведением изделия при эксплуатации.
Индукционный нагрев и сенсорный контроль
Эта технология объединяет встроенный контроль температуры и геометрии заготовки с цифровой моделью изделия («цифровой двойник»).
Просвечивание “чёрного ящика” ковки
Используя данные о температуре, деформациях, напряжениях и микроструктуре, мы можем «заглянуть» внутрь металла и понять, что происходит во время ковки.
Последовательность кадров теплового видео. Слева направо:
- штамп приближается к заготовке,
- заготовка сжимается,
- штампы разъединяются,
- металл перераспределяет тепло.
Это позволяет нам количественно оценить температурные поля и понять, как меняется структура металла в реальном времени.
Заключение
Используя технологию Agility Forge, мы можем впервые соединить физический процесс ковки с цифровой моделью в реальном времени.
Это позволяет:
- объединить данные о температуре, усилии и микроструктуре,
- анализировать процесс внутри «чёрного ящика» ковки,
- оптимизировать геометрию, режимы нагрева и охлаждения,
- предсказывать свойства конечного изделия.
Таким образом, Agility Forge становится первым примером полноценной интеграции принципов Industry 4.0 в процесс ковки, создавая основу для автономных «умных» кузнечных производств будущего.
