Тайны проектирования кузнечных штампов и анализ износа

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.