Моделирование штамповки коленчатого вала для ПАО «Уральская кузница»
Проект выполнен для ПАО «Уральская кузница» — крупнейшего в России производителя штампованной продукции из специальных сталей и сплавов — с целью анализа и оптимизации технологии штамповки коленчатого вала на бесшаботном молоте. Учитывая уникальность оборудования предприятия (в том числе самый большой в мире бесшаботный молот с энергией удара 150 тонна-сил) и высокую стоимость производственных экспериментов, было принято решение смоделировать основные варианты техпроцесса в ПО QForm.
Ключевыми целями стали контроль заполнения гравюры штампа, оценка макроструктуры поковки (в том числе расположения волокон и вероятности дефектов), а также анализ полей температуры и сопротивления деформации. Моделирование позволило «заглянуть внутрь» процесса формоизменения заготовки, выявить труднозаполняемые участки ручья инструмента, наиболее нагруженные зоны оснастки и потенциальные дефекты (складки в облое, прострелы). В результате предприятие смогло выбрать оптимальный вариант технологии без проведения дорогостоящих натурных испытаний и минимизировать риски брака в производстве.
ЗАДАЧА
- проанализировать заполнение гравюры штампа при варьировании параметров технологического процесса и выбрать оптимальный вариант штамповки;
- проконтролировать макроструктуру поковки — оценить расположение волокон, внутреннее течение слоёв металла и вероятность образования дефектов (в том числе прострелов);
- определить поля температуры в поковке и сопротивления деформации на разных этапах штамповки;
- выявить наиболее труднозаполняемые участки в ручье инструмента и наиболее нагруженные части оснастки;
- спрогнозировать возможные дефекты (складки в облойном слое, прострелы, незаполнение) до начала реального производства;
- оптимизировать технологию штамповки коленчатого вала с учётом специфики оборудования ПАО «Уральская кузница» (бесшаботный молот, тяжёлые штамповочные агрегаты);
- избежать лишних экспериментов и потерь в цехе за счёт цифрового моделирования вместо натурных испытаний;
- учесть реальные производственные параметры: температуру заготовки и инструмента, время транспортировки, распределение энергии по ударам, тип смазки.
РЕШЕНИЕ
- моделирование процесса штамповки выполнено в ПО QForm 3D с использованием реальной геометрии инструментов и заготовки;
- в качестве исходных данных использованы параметры технологического процесса:
- Оборудование: молот бесшаботный.
- энергия молота: 1470 кДж;
- распределение энергии по ударам: 50%; 70%; 70%; 100%; 100% и т. д.
- Вес падающих частей: Верх – 138 т., Низ – 144 т.
- Материал заготовки: 40Г.
- Температура заготовки: 1250оС.
- Температура верхнего и нижнего инструмента: 300оС.
- Время транспортировки заготовки от печи к молоту: 20 сек.
- Пауза перед первым ударом: 0 сек.
- Конечное расстояние между инструментами: 0 мм.
- Смазка для верхнего и нижнего инструментов: опилки.
- Оборудование: молот бесшаботный.
- проведён контроль заполнения гравюры штампа: выявлено, что полное заполнение не достигнуто — на 15‑м ударе перемещение инструмента прекратилось, в трёх местах в облойном слое образовались складки (отмечены красными точками на визуализации);
- выполнен контроль макроструктуры с помощью лагранжевых линий: оценено внутреннее течение слоёв металла и расположение волокон, выявлена вероятность образования прострела в двух местах поковки;
- определены поля температуры в поковке: установлено, что на периферии поковки металл наиболее нагрет из‑за выделения тепла при деформировании и меньшей площади контакта с инструментом;
- проанализированы поля сопротивления деформации и выявлены наиболее нагруженные части инструмента;
- определены труднозаполняемые участки в ручье инструмента, что позволило понять причины незаполнения и образования дефектов;
- на основе полученных данных проведена оптимизация технологии — скорректированы параметры процесса для минимизации рисков дефектов и повышения качества поковки.
РЕЗУЛЬТАТЫ
- выявлено незаполнение гравюры штампа: на 15‑м ударе перемещение инструмента прекратилось, в трёх местах в облойном слое образовались складки;
- спрогнозирована вероятность образования прострела в двух местах поковки на основе анализа лагранжевых линий и макроструктуры;
- определены поля температуры в поковке: подтверждено, что периферия поковки наиболее нагрета из‑за тепловыделения при деформации и меньшего контакта с инструментом;
- выявлены наиболее труднозаполняемые участки в ручье инструмента и наиболее нагруженные зоны оснастки — это позволило скорректировать технологию и снизить риски дефектов;
- оптимизирована технология штамповки на стадии моделирования, что позволило избежать лишних трат и экспериментов в цехе;
- подтверждена эффективность комплексного подхода: сочетание контроля заполнения, анализа макроструктуры, полей температуры и сопротивления деформации дало полную картину процесса и позволило заранее устранить потенциальные проблемы;
- предприятие получило обоснованные рекомендации по корректировке техпроцесса для обеспечения стабильного качества поковок и снижения процента брака.
