Для холодной ковки: Кузнечные станки для холодной ковки

Содержание

Холодная ковка металла

 

Очень красиво смотрятся ворота с коваными деталями или камины, заборы, решетчатые окна и двери, элементы мебели, декоративные изделия в помещении и на территории загородного дома. Такие мелкие детали обычно делают из металла, который обрабатывается методом холодной ковкой.

 

При таком методе обработки металла, заготовки на мелкие изделия или детали для соединения не нагревают. А сырьем для них служит железо или мягкая сталь, которое, при необходимости, может сшиваться сварочным аппаратом.

 

Холодная или художественная ковка выполняется при помощи кувалд, автоматических молотов, гидравлических прессов (метод штамповки) или вручную. Часто для их изготовления делают специальные шаблоны, которые могут использоваться даже в серийном производстве. Этот метод выполнения художественных металлических изделий считается наименее трудозатратным и быстрым, поэтому себестоимость таких деталей не очень высокая.

 

Метод холодной ковки для изготовления изделий имеет несколько преимуществ перед горячим. Одно из главных его достоинств — экономичность. Производитель, имея на вооружении широкие возможности технологии, изготавливает качественные и красивые детали, которые ценятся сегодня достаточно высоко.

 

А благодаря специальным шаблонам, можно заняться тиражированием кованых деталей, при этом их себестоимость не возрастет. Поэтому изготовленные таким образом детали, будут иметь вполне умеренную и стабильную стоимость. Их цена зависит лишь от стоимости чернового сырья. Такой металл можно приобрести уже в заготовках на металлургических комбинатах. Для холодной ковки подойдет черновая труба, квадрат, профиль, и т. д.

 

Работая методом горячей ковки, для того чтобы заготовка стала более мягкой и приобрела нужную форму, ее поддают обработке высокими температурами. Но холодная ковка металла не требует ее предварительного нагрева. Только в исключительных случаях металл нагревают в некоторых местах. Обычно, это стыки или швы, где под действием температуры сглаживают неровности или шероховатости.

 

Виды

 

Чтобы изготовить художественные детали или элементы из металлических заготовок, существует несколько методов холодной ковки. Но главными являются два: штамповка и вальцовка.

 

1. Штамповка. Она используется при работе с листовым металлом. Чтобы придать заготовке определенную форму, вид или объем, используют пресс, который специально настраивают на определенную деформацию листа.

 

2. Вальцовка. Материалом для нее может быть профильная труба, квадрат, прутья или полоса. Инструмент: станок со сменными валами, настраиваемые на определенную форму заготовки, которая должна получиться на выходе из него. Такие станки имеют достаточно высокую пропускную способность, если пересчитать количество готовых деталей за определенное время.

 

Сегодня холодную ковку все чаще стали использовать дизайнеры для реализации своих идей при создании интерьера или ландшафтном проектировании. Процесс изготовления деталей таким методом дает возможность вырезать или выгибать заготовки по определенному лекалу. Поэтому производители, вырабатывая большое количество одинаковых кованых деталей, не повышают их цены. Именно это учитывают дизайнеры для снижения стоимости готового проекта.

 

Для холодной ковки чаще всего используют металлы с заниженным уровнем в нем углерода (0,22%). А чтобы улучшить свойства металла, в него могут вводиться примеси мышьяка, фосфора, меди, никеля и т. д.

 

Учитывая такие достоинства метода холодной ковки изделий, сегодня многие начали заниматься этим в домашних условиях. Из рук таких мастеров можно получить совершенно уникальные элементы для дома или сада. Ведь у каждого из них свои идеи художественных элементов, а зачастую совершенно оригинальные и неожиданные. Тем более что все они — довольно тонкая работа, ведь для ручного производства не используются заготовки из толстого металла.

Оборудование для холодной ковки: видео, чертежи, фото

Метод холодной ковки

Способ заключается в использовании важного свойства металла — пластичности. При посредстве разнообразных оправок и механических приспособлений пруток изгибается в различных направлениях, скручивается, образует различные объемные фигуры. В качестве дополнительной обработки для соединения частей заготовок применяется сварка и слесарные операции

Станки начального уровня достаточно просты и приводятся в действие мускульной силой работающего на них мастера

В качестве дополнительной обработки для соединения частей заготовок применяется сварка и слесарные операции. Станки начального уровня достаточно просты и приводятся в действие мускульной силой работающего на них мастера.

Минимальный набор кузнечного оборудования для холодной ковки металла включает в себя:

  • Гибочные станки, или Гнутики — служат для изгиба заготовок под заданными углом и радиусом.
  • Твистеры, или торсионы — служат для закручивания заготовки (или группы заготовок) вокруг продольной оси
  • Волна — служит для создания периодических изгибов в разные стороны.
  • Станок Улитка для ковки — применяется для создания спиралеобразных завитков на конце прутка.

Можно ли освоить холодную ковку самому? Да, для этого достаточно иметь базовые навыки слесарных работ, конструирования и механической обработки.

Плюсы и особенности процесса

Холодная ковка – популярный вид работ, благодаря тому, что с ее помощью можно создавать необычные детали самых разных форм и размеров.

Используя станок для холодной ковки, вы сможете сделать ограду для клумбы, декоративный фонарь, необычный забор, перила или ручки для скамейки и другие элементы.

Плюс холодной ковки еще и в том, что сделать станок, с помощью которого можно создавать подобные детали, довольно просто сделать своими руками. Это поможет сэкономить на покупке дорогостоящего оборудования.

Процесс холодной ковки заключается в трех основных элементах: изгибание, прессование и сварка деталей. Оборудование, необходимое для этого процесса, довольно простое и компактное, его можно сделать своими руками и оно не займет много места в вашей мастерской или гараже.

С холодной ковки можно начать обучение обработке металла, т.к. этот процесс более простой и безопасный, поскольку в этом случае вам не придется иметь дело с высокими температурами, как при других видах сварки.

Для этого процесса используют обычно готовый шаблон – то есть, заготовки деталей.

Однако, используя качественный станок и чертеж будущей детали, можно без труда научиться создавать изделия витой, волнообразной и другой необычной формы. Варианты можете увидеть на фото выше.

Процесс обработки заготовок посредством холодной ковки происходит в несколько этапов. Первым делом создают шаблон или чертеж будущей конструкции.

Нужно высчитать размеры изделия, чтобы, во-первых, приобрести нужное количество материала, и, во-вторых, чтобы правильно настроить станок.

Разные станки дают разные возможности для создания узоров – это зависит от сложности изготовления инструмента.

Например, самые простые машины, сделанные своими руками, могут лишь сгибать изделия, в то время как с помощью более сложных моделей можно создавать узоры и пр.

После того как шаблон или чертеж готов, нужно купить необходимое количество материала в соответствии с вашим расчетом. Для холодной ковки вам понадобятся железные прутья, их можно купить в магазине.

Прутья для холодной ковки должны быть не слишком толстыми, иначе их сложно будет согнуть. Следующий этап – изготовление деталей своими руками:

В последнюю очередь происходит закрепление сделанных деталей на каркас. Это происходит путем сварки.

Особенно аккуратными при сварке своими руками нужно быть с тонкостенными трубками, т.к. их легко прожечь, и тогда конструкция станет неисправна и вам придется делать все заново.

Весь процесс ковки вы можете проследить по видео, прежде чем приступать к работе над своими деталями.

Но прежде чем приступать к холодной ковке, вам, конечно, нужно сделать станок, который для этого необходим. Станок «Улитка» — наиболее распространенный аппарат для обработки металлических изделий способом холодной ковки своими руками.

Все этапы по созданию станка вы сможете увидеть на видео – в этом нет ничего сложного, и практически каждому удастся справиться с этим делом самому.

Виды холодной ковки

При изготовлении металлических изделий можно выделить 7 видов холодной ковки. Это своего рода этапы создания элементов, которые нужно выполнять при работе с заготовками.

Всю работу необходимо проводить в соответствии с требованиями и правилами, в противном случае надеяться на получение красивого кованого изделия не стоит.

Самым главным этапом является ковка заготовок из металла. Это самый большой, ответственный, сложный и серьезный процесс, поэтому к нему нужно отнестись очень внимательно. Холодная ковка может быть нескольких видов:

  • Осадка — она выполняется под высоким давлением. Это нужно для того, чтобы увеличить заготовку по бокам, за счет уменьшения ее высоты.
  • Протяжка — этот этап выполняется путем нагревания металлической детали с последующей обработкой ее молотком. Это нужно для того, чтобы уменьшить площадь поперечного сечения за счет увеличения длины металлического прута.
  • Прошивка — этот этап подразумевает проделывание отверстий внутри заготовки. При выполнении такой работы можно получить отверстия разного диаметра и длины. Она бывает открытой и закрытой.

Осадка и протяжка делает структуру металлической заготовки более хрупкой, поэтому дальнейшая работа должна проводиться очень аккуратно, чтобы не допустить поломки той или иной части конструкции.

  • Штамповка — на этом этапе происходит пластичная деформация металла, что приводит к изменению формы или размера заготовки. Штамповка может быть объемной или листовой. При первом варианте работы выполняются под давлением. В этом случае деталь нагревается и подвергается прессованию до нужных размеров. Этот метод больше подходит для производственных масштабов, когда нужно изготовить большую партию одинаковых элементов. Листовая штамповка отличается от первого варианта тем, что детали производят из листового железа. Этот метод подходит для изготовления мелких или средних деталей, при этом они будут отличаться высоким качеством и прочностью.
  • Прессование — на этом этапе происходит повышение плотности металлической заготовки и изменение ее формы, за счет высокого давления. Прессование может быть прямым и обратным. При прямом способе происходит выдавливание металлических заготовок через различные отверстия, что приводит к получению различных прутьев, труб и профилей. При обратном прессовании металлические изделия располагают в специальном формуляре, при этом давление подается в обратном направлении.
  • Волочение — это процесс протягивания металла, только уже прессованного, через специальную матрицу. При этом способе обработки можно получить различные фасонные профиля, проволоку или тонкие трубы.
  • Прокатка — это заключительный этап обработки, при котором задействован закон силы трения. При трении специальных валиков о металлическую поверхность происходит деформация заготовки. Прокатка может быть нескольких видов, в зависимости от способа вращения валиков:
  • продольная — при которой вращение валиков происходит в разные стороны. Это приводит к постепенному обжиманию и удлинению металлической детали. Таким способом производится листовое и ленточное железо;
  • поперечная — при которой движение валиков происходит в одном направлении. Это приводит к деформации заготовки в поперечном направлении. Этим методом изготовлены цилиндрические шестеренки с накатными зубцами;
  • винтовая — при которой расположение валиков выполнено под углом друг к другу. В этом случае заготовка проходит одновременно два валика с поступательным и вращательным движением, что позволяет получить небольшой зазор, в который и попадает металл. Таким способом получают трубные заготовки, «гильзы».

Станок «Улитка» для ковки своими руками

согласно чертежам и технологии

Прежде чем делать любые приспособления, ручные инструменты или станки для художественной ковки, требуется выполнение графических изображений, шаблонов, эскизов, чертежей будущего приспособления.

Чтобы более точно получилась разметка, лучше всего пользоваться миллиметровой бумагой. Нарисуйте на ней спираль, у которой постепенно увеличивается радиус витков. Между витками нужно соблюдать одинаковый шаг. Нужно сказать, что это условие необходимо соблюдать только в случаях, если нужна симметричность узоров, как правило, делают не более 4 шт.

Также учитывайте и то, какие будут заготовки, с которым нужно работать. Дистанцию между витками нужно сделать так, чтобы она немного превышала диаметр металлических прутьев, иначе сложно будет доставать из станка готовое изделие.

Чтобы создать полноценный процесс работы, необходимо сделать надежную фиксацию одного конца изделия. Тут понадобится кусок прута, который равен ширине полос. Для фиксации рабочей площадки потребуется верстак. Часто в роли стойки используют кусок толстостенной трубы. Главное – обеспечить максимальную фиксацию, так как при холодной ковке усилия прилагаются довольно большие.

https://youtube.com/watch?v=rUTdr5Cb9SE

Сборка станка

По длине конструкции можно приварить небольшие кусочки прутков с расстоянием 5-6 см, в рабочей площадке для них нужно сделать специальные отверстия. Не забывайте тщательно крепить концы изделий, которые будете выгибать.

Холодная ковка является особенно популярной среди начинающих в кузнечном деле. Для изготовления изделий этим способом не нужно ни хорошо оборудованной мастерской (можно обойтись гаражом или сараем), ни обладания большим опытом, не нужны особые знания о поведении металлов. Что касается приспособлений, то все необходимые станки и инструменты можно изготавливать своими руками в домашних условиях.

Технологические особенности художественной ковки

Процесс ручной художественной ковки металла разбивается на несколько отдельных операций. Начинается он с разогрева болванки в горне или другом типе нагревателя. В зависимости от качества угля, подачи воздуха в горн и массы заготовки разогрев может занять от нескольких минут до нескольких часов. При изготовлении изделий, имеющих сложную форму, большое количество деталей или отверстий, изделие может остыть. Тогда его возвращают в горн и повторяют нагрев.

Собственно ковочные операции бывают следующие:

  • Осадка. Удары молотом наносятся сверху вниз, исходная высота уменьшается, а ширина увеличивается. Это подготовка заготовки для вытяжки.
  • Вытяжка. Удары по заготовке наносятся вдоль продольной оси вдоль, и заготовка плющится в направлении ударов, и длина ее таким образом увеличивается.
  • Раздача — подвид вытяжки, применяется для увеличения диаметра пустотелых заготовок.
  • Прошивка – получение отверстий, углублений или пазов.
  • Закручивание – многократный поворот одной части заготовки относительно другой. При этом используются тиски, клещи, а при значительном сечении заготовки — и специальные вороты.
  • Рубка — процесс разрубания изделия на две или более части. Применяется также для коррекции формы и размеров изделия. Иногда из заготовки вырубают готовое изделие, пользуясь для этого фигурными штампами.
  • Гибка – проводится для изменения формы изделия при изготовлении деталей кольцевой или гнутой формы.
  • Сварка — соединение в единую деталь двух или нескольких частей.

По окончании ковки изделие окунают в емкость с жидкостью для охлаждения и закалки. Традиционно используют воду, однако при ковке специальных сортов стали, таких например, как булат, применяют различные кислоты и масла. Легенда гласит, что некоторые мастера после ковки меча охлаждали его, втыкая в тело раба.

Кованые кресла в интерьере

Кресла с металлическими каркасами максимально приближаются при оформлении к королевским стилистикам. Необычные модели могут применяться для установки в залах, столовых. Некоторые входят в готовую обеденную группу, за которой для приема пищи будет собираться вся семья. Часть является дополнением диванов, располагаемых в просторных залах. Многие модели оснащены подлокотниками. Они могут быть уточненными или массивными. Обивка имеет разное оформление. Для изготовления мебели зачастую применяются жаккардовые и бархатные ткани. Идеально подходят полотна с рисунками в виде полосок, филигранных узоров. Абстракции и изображения животных, людей для металлической мебели не применяются. Они в композиции с массивным каркасом смотрятся неуместно. Реже в качестве обивки выбирается кожа или замша.

Пошаговое изготовление малогабаритного ручного станка для изготовления завитков

Небольшой станок предназначен для изготовления завитков из полосового проката шириной 20…30 мм. Его несложно сделать самому.

Центр

Сначала изготавливается центр. Для этого отпиливается небольшой фрагмент из кругляка. Заготовку фиксируют в тисках, размечают линию реза. С помощью отрезного диска и углошлифовальной машинки (УШМ) отпиливается заготовка.

Она имеет диаметр 38 мм. Боковая поверхность дополнительно не обрабатывается.

Длина центра составляет 28 мм. Можно и немного больше, но для изгибания полосы шириной 30 мм этого достаточно.

На сверлильном станке сверлится отверстие Ø 8 мм. Его располагают эксцентрично. Такое положение обусловлено тем, что нужно изготовить фиксатор для конца заготовки.

Прорисовывается профиль, который следует удалить с помощью отрезного и зачистного дисков, устанавливаемых на болгарке. Заготовку крепят в тисках и удаляют излишки металла.

Лепестковыми дисками поверхность защищается так, чтобы осуществлялся плавный переход между разными поверхностями фиксатора.

Чтобы в дальнейшем проще фиксировать конец заготовки, нужно просверлить отверстие. Его располагают на радиальной поверхности центра. Сверлится отверстие под резьбу М10.

С помощью набора метчиков нарезается внутренняя резьба. Здесь будет использоваться винт без головки. После фиксации заготовки он спрячется внутри металла центра.

К опорной пластине толщиной 4 мм приваривается центр. На этом работа с его изготовлением завершается.

Изготовление приспособления

Для удобства работы с приспособлением к обратной стороне пластины приваривается вал. Вращая его в специальной оправке, будут вращать улитку.

Наружную поверхность нужно обточить, чтобы сварные швы не мешали свободному облеганию будущих заготовок.

Будущая спираль прорисовывается на пластине. Создается контур, куда ее в дальнейшем приварят.

Из полосы толщиной 4 мм изгибают спираль. Она должна соответствовать проекту.

После проверки спирали по шаблону излишки обрезаются, а саму спираль приваривают к пластине и к центру.

В качестве стойки используется профильная труба 40·40 мм со стенкой 3 мм. На ней сверлят отверстия для крепления элементов станка. С помощью опорных площадок фиксируют подготовленные части.

С обратной стороны видна ручка. Ее закрепили к валу с помощью подшипника. Подготовленная «Улитка» может вращаться.

Проводится проверка работоспособности. За ручку выполняется поворот спирали вокруг оси центра.

Кованая кровать в интерьере

Выбор подходящей кровати должен опираться на ее размеры, конструкцию. Самыми популярными стали модели с витиеватыми большими изголовьем и изножьем. Наличие тонких переплетений способствует облегчению оформления, созданию особого уюта. Для просторных помещений идеально подходят красивые модели с высоким пологом. Их можно дополнять занавесками из любых тканей: плотных, легких полупрозрачных. В помещениях, приближенных к королевской стилистике, такие модели просто незаменимы. К ещё одному интересному типу относятся кровати с большим филигранным изголовьем и массивными ножками. При правильном подборе текстиля они не будут перегружать пространство или уменьшать его. Идеальными для таких моделей станут светлые покрывала с тончайшими узорами, полосами, силуэтами

А вот постельное белье с растениями, фигурами, абстракцией нужно подбирать с особым вниманием: большинство из них на металлических кроватях будут смотреться неуместно

Преимущества и особенности художественной ковки, предлагаемые изделия

Технология художественной ковки используется достаточно продолжительное время. С ее помощью можно создать не просто изделия, а настоящие произведения искусства, которые станут оригинальным украшением как интерьера разных помещений, так и ландшафтного дизайна.

Куда обратиться

Если вас интересует художественная ковка СПб, узнать подробности о данной услуге можно на сайте https://kuznya-metall.ru/. Авторская кузнечная мастерская Гаврилова зарекомендовала себя с положительной стороны на рынке художественной ковки. Она изготавливает:

  • оригинальные кованые изделия,
  • мебель,
  • металлоконструкции.

При производстве продукции используются качественные материалы. Для окрашивания применяется лучшая финская порошковая красная, которая создает идеальный визуальный эффект.

Какие изделия можно заказать

Если вы заинтересовались услугами художественной ковки, то вариантов предлагается большое количество. Вы можете выбрать как готовые изделия в каталоге, так и заказать их индивидуальное изготовление с учетом всех своих пожеланий и дизайнерских задумок.

Сейчас довольно большой популярностью пользуется кованая мебель. Вы можете подобрать оригинальные предметы интерьера практически для любого помещения. Если вас интересует мебель для гостиной, то хорошим решением в данном случае станут интересно выполненные столы или ажурные подстольники. С их помощью вы можете создать в помещении неповторимую атмосферу. Востребованы банкетки и красивые рамы для зеркал. Для прихожих можно заказать зонтницы, подставки под обувь, а в спальне прекрасно будут смотреться прикроватные тумбочки.

Есть возможность заказать самые разные кованые изделия. Их можно использовать в качестве предметов декора для домов или квартир, других помещений. Украшенные элементами художественной ковки каминные решетки, дровницы, подсвечники и подставки под цветы смотрятся просто непревзойденно. Если вы хотите использовать кованые изделия для украшения территории, то можете использовать красивые мостики, фонари, почтовые ящики, арки. Любое ваше пожелание и задумка будут воплощены в реальность.

Среди наиболее популярных металлических конструкций можно выделить ворота, садовые домики, пандусы, решетки. Если вы заинтересованы в получении качественных услуг в области художественной ковки, обращайтесь к лучшим специалистам.

Холодное формование 101: Понимание процесса

Процесс холодной штамповки

Холодное формование – часто известное как холодное формование – это метод ковки, используемый для придания формы металлическим материалам при температуре, близкой к комнатной. Формовка металла при более низких температурах сохраняет или повышает прочность материала на растяжение, при этом допуская высокие уровни сложных манипуляций.

Холодное формование — это высокоскоростной процесс, который позволяет производителям производить большое количество изделий из металла быстро, последовательно и экономично.По сравнению с методами высокотемпературного формования изделия холодного формования тверже, дают больший выход, обладают более высокой прочностью на растяжение и имеют превосходную обработку поверхности.

В этом процессе прутковая заготовка подвергается черновой токарной обработке, чтобы удалить дефекты на поверхности материала и подготовить прутковую заготовку к шлифованию. После этого токарная заготовка выпрямляется, чтобы свести к минимуму любые отклонения в стержне, а затем шлифуется до окончательного размера заготовки при оптимальном балансе между проектируемым корневым и внешним диаметрами готовой детали.После того, как эти операции завершены, прокатный станок выполняет окончательные процедуры формовки, создавая более сложные детали, такие как прецизионные зубья шестерни. Эти детали создаются с использованием смещения, а не резки или шлифования. При использовании огромного давления для восстановления пруткового проката зернистая структура материала сжимается, а не удаляется, что повышает предел прочности конечной детали на растяжение. Этот процесс максимизирует использование материала и значительно сокращает производственные отходы.

Подходящие металлы для холодной прокатки

Различные металлы подходят для холодной штамповки. Например:

  • Легированная сталь (1045, 1117, 1215, 4140, 4150, 4340, 8620, H-11)
  • Нержавеющая сталь (316, 416, 17-4)
  • Алюминий (2024, 6061)
  • Морская латунь
  • Большинство материалов твердостью до 44 HRC

Другие материалы просто слишком хрупкие для этого процесса, например, чугун.

Каковы преимущества этого процесса?

Холодное формование сокращает количество времени и материалов, необходимых для производства однородных высококачественных металлических деталей, а наши холоднокатаные детали, по оценкам, на 20% прочнее аналогичных деталей, изготовленных другими методами.

Хотя холодная прокатка может показаться более дорогой на начальном этапе, этот процесс устраняет необходимость в различных операциях вторичной обработки, сокращая как время выполнения заказа, так и общие расходы.

Наш широкий ассортимент холоднокатаной продукции включает более 2 200 существующих профилей, что гарантирует, что мы можем создать любую деталь, необходимую для вашего применения.

Эксперт по холодной прокатке в Grob, Inc.

Grob, Inc. уже более 70 лет поставляет холоднокатаные детали для широкого круга отраслей промышленности.Мы разработали собственные методы холодной штамповки шестерен, шлицев, валов, втулок и множества других металлических деталей. Наш запатентованный процесс обеспечивает самые жесткие допуски в отрасли, обеспечивая при этом максимальную прочность и оптимальное качество поверхности.

Мы также предлагаем ложи нестандартной длины, не предлагаемые большинством конкурентов. Мы можем предложить меньшие диаметры длиной до 6 футов и большие диаметры до 12 футов. Наши возможности настройки не имеют себе равных, и до 70% нашего бизнеса приходится на предоставление продуктов, разработанных по индивидуальному заказу.

В Grob наши инновационные процессы, обширный опыт и глубокие знания помогают нам производить превосходную продукцию в короткие сроки и с меньшими затратами. Свяжитесь с нами, чтобы получить дополнительную информацию или расценки на любой из наших стандартных или изготовленных по индивидуальному заказу продуктов холодной штамповки.

Прогнозирование разрушения материала при холодной штамповке | 2017-12-07 | Кузнечный журнал

Следует проявлять осторожность при моделировании холодной штамповки крепежных изделий посредством компьютерного моделирования.Показано, что операции предварительной формовки оказывают существенное влияние на прогнозирование образования трещин на основе математических моделей повреждений. Операции предварительного формования, такие как волочение проволоки и обрезка стержней, должны быть включены в имитационную модель для обеспечения максимальной точности и наилучших результатов прогнозирования.

 

Холодная ковка — это жесткая операция формовки механических компонентов или крепежных изделий, имеющая ограничения на деформируемость материала заготовки и срок службы инструмента. В отличие от процессов теплой и горячей ковки деформирующие усилия при холодной ковке относительно велики.Следовательно, холоднокованый материал может иметь тенденцию к растрескиванию из-за высокой деформации, превышающей предел пластичности материала.

Поскольку во время производства сложно обнаружить неисправные изделия холодной штамповки, производители крепежных изделий могут страдать от большого количества отходов сырья и энергии прессования. Чтобы устранить эту проблему, точность прогнозирующего моделирования развития трещин во время ковки имеет решающее значение для снижения производственных и инженерных затрат. В этой статье обсуждается влияние операций предварительной ковки, таких как волочение проволоки и обрезка стержней, на компьютерное моделирование развития трещин.

 

Операции предварительной ковки

Материалы для холодной ковки (сплавы из низко- и среднеуглеродистой стали) были закуплены в рулонах у поставщиков, как показано на рис. 1. После соответствующей подготовки поверхности (очистка и фосфатирование), на каждой катушке была выполнена операция волочения проволоки, чтобы исключить любое отклонение от желаемой круглой формы поперечного сечения. Диаметр проволоки уменьшен до 0,25-0,35 мм.

На рис. 2 показана внутренняя часть кузнечного пресса.Как показано, основные компоненты пресса движутся относительно стационарных штамповых блоков, кузнечно-штамповых станций на этих блоках, захватов и механизма обрезки прутков. Бухта проволоки крепится к прессу и роликами автоматически подается через систему обрезки прутков. Затем проволока обрезается до заданной длины заготовки и подается к первому захвату. Захваты представляют собой механические компоненты, которые перемещают заготовку и заготовки между ковочными станциями.

Во время обрезки стержня проволока удерживается в матрице, в то время как другая матрица срезает материал (рис.3). Здесь преобладают касательные и растягивающие напряжения, а деформация носит пластический характер. Инженеры обычно начинают моделирование ковки с начальной станции ковки. В большинстве случаев это дает достаточно точный прогноз течения материала и сил ковки. Однако эта стратегия моделирования может ввести в заблуждение инженеров, которые хотят провести анализ отказов.

Пример сломанного болта, взятого из серийного производства, показан на рис. 4. Как видно на рисунке, трещина началась с углов 12-лепесткового пуансона и распространилась по головке болта.Форма трещины показывает, что она была вызвана операцией ковки. Можно просто проанализировать это явление с помощью конечно-элементного моделирования и предсказать место зарождения трещины (рис. 5).

Однако в некоторых анализах трещина и ее путь могут быть не такими очевидными, как на рис. 5. В таком случае моделирование и модель трещины могут не предсказать эволюцию трещины или точное местонахождение трещины. На данный момент моделирование операций предварительной ковки играет решающую роль в точности прогнозирования.Инженер должен вернуться к первому этапу операции формования и проанализировать его шаг за шагом.

 

Моделирование операций предварительной ковки

Пакеты программного обеспечения для конечно-элементного моделирования, такие как модели повреждений Lematrie, Cockroft-Latham, Oyane и Johnson-Cook, используют различные типы моделей разрушения и повреждения. В большинстве моделей для расчета повреждений используется эффективная пластическая деформация. В этот момент важным становится расчет точных значений генерируемой пластической эффективной деформации.

Когда инженер начинает с первого шага ковки в численной модели, он или она просто игнорирует остаточную деформацию, возникающую в результате операции волочения проволоки. Как показано на рис. 6, волочение проволоки вызывает умеренные пластические деформации на поверхности материала заготовки. Принимая это во внимание, мы видим, что эти поверхностные деформации будут значительно влиять на расчетное значение повреждения, что приведет к лучшей прогнозируемой способности.

Следующим шагом, который необходимо включить в моделирование, является обрезка стержней, которая включает в себя тянутую проволоку, обрезную матрицу и стационарную матрицу (рис.7). Этот анализ был выполнен в Simufact, формирующем конечно-элементное программное обеспечение.

Распределение повреждений после обрезки показано на рис. 8. Из этой модели можно сделать два важных вывода. Во-первых, на обрезанной поверхности максимальное значение повреждения составляет около 0,35 в центре заготовки и уменьшается до нуля по всей поверхности (рис. 8 и 9). Аналогично максимальная эффективная пластическая деформация создавалась в центре заготовки и составляет около 0,5. Второй вывод заключается в том, что геометрическое отклонение заготовки от идеальной цилиндрической формы определялось, как показано на рисунке 9.Это происходит из-за пластической деформации во время обрезки. Учет этого геометрического отклонения до первой станции ковки также важен для определения плоскостности поверхности болта во время ковки.

В большинстве случаев излома при холодной ковке болта около 90% трещин наблюдается на головке болта из-за образования фланцев или гнезд пуансона. Здесь развитие трещины может быть результатом дефекта материала или сильной пластической деформации во время ковки. Для исследования повреждения головной части предварительно отформованного болта было проведено моделирование экструзии с использованием заготовки, взятой из модели обрезки стержней (вместе с моделью предварительной штамповки).Затем результат этого моделирования сравнивался с результатами модели экструзии, в которой заготовка просто рисовалась и переносилась в модель напрямую из САПР (без модели предварительной штамповки).

На рисунках 10 и 11 показано распределение повреждений на экструдированной заготовке для моделирования, выполненного с обрезанными заготовками и заготовками CAD. Как показано на рисунке 10, среднее значение повреждения на головном участке составляет около 0,3, хотя значение повреждения в том же месте без предковочной модели около нуля (рис.11).

Изменения величины повреждения от центра к поверхности на экструдированных деталях показаны на рисунке 12. Хотя тенденция распределения повреждений одинакова для обеих моделей, разница в генерируемых повреждениях на головке между этими моделями огромна. Этот график доказывает, что инженер, который хочет провести анализ отказа вышедшего из строя болта и использует имитационную модель без моделей предварительной ковки, недооценит значение критического повреждения в области разрушения и не сможет получить надежную информацию из моделирования.

 

Заключение

Точность конечно-элементного моделирования зависит от многих переменных, включая свойства материала, геометрическую точность моделей САПР, тип и распределение конечных элементов. Однако даже если все параметры в моделировании обработки металлов давлением были заданы в программном обеспечении должным образом, модель может не давать надежных данных. Инженер может столкнуться с такой проблемой во время анализа отказов изделий с трещинами. В этой статье показано, что операции предварительного формования оказывают значительное влияние на прогнозирование образования трещин на основе математических моделей повреждений.Операции обработки металлов давлением, такие как волочение проволоки и обрезка стержней, должны быть включены в имитационную модель ковки для обеспечения высокой точности, даже если это требует больше вычислительного времени.

Холодная штамповка против ковки — StampingSimulation

Листовой металл штамповка – это разновидность холодной штамповки. Фактически, штамповка листового металла также может выполняться «горячей», что необходимо для очень современных высокопрочных сталей, которые не могут быть успешно сформированы без предварительного нагрева заготовки.

Ковка также может производиться как в горячем, так и в холодном виде, с различными преимуществами и недостатками.

Поковка, , однако, не то же самое, что листовой металл формы г, хотя кусок листового металла может быть «кованым» в форме. Ковка подразумевает, что формируемый материал сжимается или чеканится грубой силой, придавая материалу форму со значительной разницей в толщине, которая не всегда совпадает с исходной толщиной.

Ковка обычно начинается с круглой или цилиндрической заготовки материала, которая с огромным усилием выковывается в нечто вроде шатуна. В то время как формование листового металла обычно начинается с плоского листа материала, который преобразуется в форму продукта, обычно с тонкой стенкой, нетвердой формой продукта.

В штамповке листового металла , несмотря на изменение толщины (утончение и утолщение), изменение толщины незначительно по сравнению с процессом штамповки .Деталь из листового металла может быть локально выкована (или отчеканена) для контроля толщины на небольшой площади, но обычно это небольшая операция ковки как часть большого процесса холодной штамповки.

Чем отличается процесс моделирования при ковке листового металла и штамповке листового металла?

Что касается моделирования, то ковка и формовка совершенно разные. Для ковки требуются твердые элементы FEA, в то время как для формовки листового металла используются гораздо более эффективные и прочные мембранные элементы FEA.Это связано с тем, что нет необходимости моделировать полную толщину (твердые элементы) в процессе штамповки листового металла, поскольку толщину листа можно рассчитать численно. Это значительно экономит время вычислений и позволяет быстро и точно моделировать очень сложные детали из листового металла.

StampingSimulation и Autoform моделируют процессы холодной и горячей штамповки листового металла. В программе Autoform невозможно смоделировать ковку из-за мембранных элементов и отсутствия возможности работы с твердыми элементами МКЭ.Тем не менее, Autoform — это ведущее в отрасли программное обеспечение для моделирования формовки листового металла, которое действительно оптимизировано для моделирования формовки листового металла в холодном и горячем состоянии, включая зафланцовку. Никакое другое программное обеспечение не может давать точные результаты с такой же скоростью (время настройки и расчета) и простотой, как Autoform.

Совсем недавно горячее формование становится все более важным для OEM-производителей, которые по закону обязаны сокращать выбросы транспортных средств. Это часто означает, что для уменьшения массы автомобиля за счет уменьшения толщины исходного материала необходимо использовать передовые стали с невероятной прочностью (> 1500 МПа).

Когда материал с такой прочностью требует формовки, необходимо нагреть заготовку из листового металла до повышенных температур, чтобы ее можно было формовать. При повышенных температурах даже самым прочным материалам можно успешно придать практически любую форму. Программное обеспечение Autoform интегрировало горячее формование как часть пакета программного обеспечения и точно прогнозирует все проблемы и результаты, связанные с горячим или холодным формованием.

Работа с моделированием штамповки

Если вы изучаете возможности моделирования StampingSimulation и Autoform для процессов холодной и горячей штамповки листового металла, мы будем рады вам помочь.Мы специализируемся на услугах по моделированию и уверены, что сможем получить точные результаты в кратчайшие сроки. Свяжитесь с нашей командой, чтобы узнать больше, или нажмите здесь, чтобы просмотреть нашу работу с другими лидерами отрасли.

Чистое производство: холодное формование и соответствие экологическим требованиям

Холодное формование, или холодная ковка, становится все более популярным методом изготовления прецизионных миниатюрных, микрохирургических и медицинских компонентов. 1 Производители, приобретающие изготовленные на заказ компоненты холодного формования для своих узлов, делают это с целью снижения затрат на сырье и рабочую силу, а также повышения производительности и надежности компонентов. Хотя детали, как правило, очень маленькие, большая часть из них содержит самые разные дорогие — и часто ценные — сырьевые материалы, и любое сокращение отходов напрямую влияет на конечный результат. Другое преимущество холодной штамповки, заключающееся в сохранении или даже улучшении воспроизводимого качества по сравнению с альтернативными методами, является еще одной причиной, по которой она становится все более популярной.

Итак, в то время как эффективность производства, более низкая стоимость и повышенная производительность, прочность и качество являются чрезвычайно убедительными причинами для выбора холодной штамповки, вот неожиданная причина: экологичность. Многие компании, использующие методы снижения воздействия на окружающую среду, делают это либо из-за соблюдения нормативных требований, либо из-за ценности связей с общественностью; то есть восприятие хорошего корпоративного гражданства влияет на потребительские предпочтения в эзотерических (если не реальных) терминах. Однако при холодной штамповке экологические преимущества почти полностью переходят в экономическую выгоду.

Этот микровинт сетчатой ​​формы не производит отходов и имеет повышенную прочность на растяжение благодаря деформационному упрочнению в процессе холодной штамповки.

Естественные экологически безопасные методы, используемые при холодной штамповке, могут привести к экономии по следующим категориям: практически полное отсутствие брака, более низкие затраты на материалы и переработку, снижение накладных расходов, а также снижение затрат и потребления масла. Примечание. Платформа для сравнения затрат учитывает значительно более высокий объем производства деталей холодной штамповки в среднем 100 частей на миллион по сравнению с типичными 20 частями на миллион для механически обработанных деталей.Показанная ниже экономия особенно эффективна при очень длительных пробегах.

Практически без брака. При изготовлении деталей практически не используется материал, за исключением обрезки, на которую может приходиться менее 2 процентов массы детали. Холодная штамповка позволяет получить деталь «почти чистой формы» (а часто и полную чистую форму). Меньшее количество брака приводит к снижению исходной стоимости материала для изготовления детали.

Снижение затрат на материалы и переработку. Затраты на переработку, особенно для экзотических материалов, таких как золото, серебро и платина, намного ниже при холодной штамповке, поскольку при механической обработке образуются отходы, тогда как при холодной штамповке все материалы имеют форму, близкую к чистой.Затраты на переработку экзотических материалов выше из-за проблем с утилизацией частиц и отсеиванием примесей после переработки.

Снижение накладных расходов. На производство того же количества деталей уходит меньше человеко-часов; следовательно, стоимость за штуку включает гораздо меньшую долю затрат на рабочую силу, чем механическая обработка. Кроме того, из-за высокой скорости производства при холодной штамповке затраты на коммунальные услуги в расчете на одну деталь намного ниже, чем при более медленном процессе, таком как механическая обработка, что делает деталь значительно более энергоэффективной.

Таблица 1. Сравнение производственных затрат и экономии при холодной штамповке по сравнению с механической обработкой для микровинта. Таблица 2. Сравнение производственных затрат и экономии при холодной штамповке по сравнению с механической обработкой втулки канюли. повышенная прочность на растяжение достигается за счет процесса холодной штамповки.

Снижение стоимости и расхода масла. Общая стоимость масла ниже при холодной штамповке. Несмотря на то, что в нем используется более дорогой тип масла, требующий большей вязкости, чем смазочное масло для механической обработки, более высокая скорость производства означает меньший расход масла с течением времени.В среднем это приводит к экономии затрат на смазку на 10 процентов при каждом полном производственном цикле.

Чтобы проиллюстрировать экологическую экономию с использованием реальных продуктов, в следующих примерах конкретных деталей сравниваются производственные затраты и экономия при холодной штамповке по сравнению с механической обработкой.

  • Пример 1: Винт для вставки медицинского устройства

    Винт для медицинской вставки из нержавеющей стали изготавливается с использованием холодной штамповки и профилирования в качестве вторичной операции. Этот микровинт сетчатой ​​формы не производит отходов и имеет повышенную прочность на растяжение благодаря деформационному упрочнению в процессе холодной штамповки.Высокая производительность холодной штамповки положительно влияет на стоимость и энергоэффективность с экономией 407 кВтч на миллион штук по сравнению с традиционными методами обработки. Производственные циклы винта-вкладыша превышают 50 000 000 деталей в год (см. Таблицу 1).

  • Пример 2: Втулка канюли

    Алюминиевая трубчатая деталь, которая удерживает медицинскую иглу и ввинчивается в корпус шприца, изготавливается методом холодной штамповки с вторичными операциями нарезки резьбы.Минимальное количество брака и повышенная прочность на растяжение достигаются за счет процесса холодной штамповки. Из-за высокой производительности, возможной при холодной штамповке, по сравнению с традиционными методами обработки, было сэкономлено 528 кВтч на миллион штук, что снижает не только затраты на энергию, но и углеродный след. Эта часть проходит более 2 000 000 в год (см. Таблицу 2).

Итог: экологических императивов, рассматриваемых отдельно, может быть недостаточно, чтобы убедить покупателей медицинского оборудования использовать холодное формование для решения многих своих потребностей в производстве мелких компонентов.Но холодное формование дает им возможность не только претендовать на высокий уровень экологической ответственности, но и сэкономить на этом дополнительные расходы.

Эта статья была написана Мэриан Уоткинс, директором по маркетингу Sussex Wire, Истон, Пенсильвания. Свяжитесь с ней по адресу Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра. Для получения дополнительной информации нажмите здесь  .


Еще от SAE Media Group

Журнал Medical Design Briefs

Эта статья впервые появилась в выпуске журнала Medical Design Briefs за сентябрь 2017 г.

Читать больше статей из этого номера здесь.

Другие статьи из архива читайте здесь.

ПОДПИСАТЬСЯ

Холодная ковка vs Теплая ковка vs Горячая ковка

Кузнечные штамповки металлов в зависимости от температуры можно разделить на холодную деформацию (холодная ковка), теплую деформацию (теплая ковка) и термическую деформацию (горячая ковка). Влияние микроструктуры и механических свойств на стальные поковки этих различных процессов ковки также различно.

1) Холодная ковка : относится к заготовкам, обработанным при температуре ниже температуры рекристаллизации.

Характеристики холодной ковки: высокая точность размеров, хорошая шероховатость поверхности, хорошие условия труда и высокая эффективность производства. Таким образом, холодная ковка иногда может заменить механическую обработку. Холодная ковка может сделать армирование металла, повысить прочность деталей. Таким образом, он применим к алюминиевым и пластиковым деталям из сплавов, меди и сплавов, низкоуглеродистой стали, среднеуглеродистой стали, низколегированной стали, сопротивление деформации которых невелико при комнатной температуре.Но при холодной пластичности сопротивление деформации металла большое, с плохой пластичностью и содержит накопление остаточного внутреннего напряжения, необходимо продолжать деформацию после промежуточного отжига. Тем не менее, преимущества технологии холодной деформации делают ее все более и более широко используемой.

2) Теплая поковка г : поковка, обработанная при температуре рекристаллизации.

Горячая ковка предназначена для получения точных поковок. Преимущество теплой ковки заключается в том, что она может повысить точность поковок, в то же время не имеет силы штамповки, такой как холодная ковка.Теплая ковка применима для изготовления прецизионных штамповок из малогабаритной среднеуглеродистой стали сложной формы.

Дефекты горячей ковки: горячая ковка требует строгого контроля температуры деформации и нагревательного оборудования. Поскольку сила сопротивления горячей штамповки больше, чем горячей штамповки, нам нужно большое тоннажное кузнечное оборудование.

3) Горячая ковка : температура деформации выше температуры рекристаллизации. В процессе деформации размягчение и упрочнение сосуществуют одновременно, но размягчение может полностью преодолеть эффект упрочнения, и после деформации металл будет иметь мелкозернистую организацию вала, такую ​​как рекристаллизация, эта деформация называется термической деформацией.Например, ковка в открытых штампах, горячая штамповка, горячая прокатка, тепловой удар, горячее прессование — все эти процессы относятся к термической деформации. Это один из самых распространенных способов ковки.

Характеристики горячей штамповки: высокая пластичность металла и малое сопротивление деформации обеспечивают хорошую пластичность. Таким образом, горячую ковку можно использовать для обработки крупногабаритных поковок сложной формы, а также улучшить механические свойства металлов. Но металл в процессе горячей деформации, на поверхности легко образуется окалина.По сравнению с холодной деформацией точность размеров и шероховатость поверхности поковки грубее, плохие условия труда и производительность хуже, поэтому горячая ковка должна быть оснащена соответствующим нагревательным оборудованием и т. д.

Плюсы и минусы холодной штамповки металлов


Не все процессы металлообработки включают сварку или иное плавление металлических заготовок при высоких температурах. Существуют также процессы обработки металлов холодной штамповкой.

Холодная штамповка, также известная как холодная обработка, представляет собой группу процессов металлообработки, включающих изменение формы металлической заготовки при температуре ниже точки рекристаллизации металла.Процессы холодной обработки металлов давлением состоят из прокатки, гибки под углом, профилирования, правки, вырубки, прошивки, обрезки и волочения, которые выполняются при температуре ниже точки рекристаллизации металла. Каковы плюсы и минусы холодной обработки металлов давлением?

Плюсы холодной обработки металлов давлением

Поскольку холодная штамповка металла часто выполняется при комнатной температуре, она относительно недорога. Металлообработка горячей штамповкой, такая как сварка, требует много тепла.Для производства этого тепла энергия должна потребляться в виде электричества или газа. С другой стороны, обработка металлов холодной штамповкой не требует чрезмерно высоких температур. Ее проводят либо при комнатной температуре, либо при температуре ниже точки рекристаллизации металла. Поэтому процессы металлообработки методом холодной штамповки обходятся дешевле.

Холодная обработка металлов давлением также обеспечивает больший контроль над формой и размерами металлических заготовок, чем горячая обработка металлов давлением.Когда металлические детали подвергаются воздействию тепла, превышающего их точку рекристаллизации, они плавятся. Сложно контролировать размеры расплавленной металлической заготовки. Холодная обработка металлов позволяет производственным компаниям лучше контролировать размеры за счет устранения угрозы перегрева.

Еще одним преимуществом обработки металлов холодной штамповкой является улучшенное качество поверхности. Холодные процессы металлообработки защищают заготовки от поверхностных дефектов и несовершенств.

Минусы холодной обработки металлов давлением

По сравнению с обработкой металлов горячей штамповкой, обработка металлов холодной штамповкой требует больших усилий для изменения формы металлических заготовок.Тепло делает металлические заготовки более ковкими. При небольшом нагреве или его отсутствии металлические заготовки остаются твердыми и жесткими. Им по-прежнему можно придавать форму и манипулировать с помощью обработки металлов холодной штамповкой, но для этого требуются большие усилия, чем при обработке металлов горячей штамповкой.

Перед выполнением процесса холодной штамповки заготовки, как правило, должны быть очищены. Наличие грязи или загрязняющих веществ может неблагоприятно повлиять на размеры заготовки и привести к нежелательным результатам. В результате металлические заготовки перед холодной штамповкой обычно очищают.Однако это менее важно для обработки металлов горячей штамповкой. Горячее формование часто отделяет грязь и загрязняющие вещества от металлических заготовок с помощью тепла.

Наконец, обработка металлов холодной штамповкой может привести к явлению, известному как пружинение. Также известное как упругое пружинение, оно заключается в том, что холодногнутая металлическая деталь «пружинивает» в свою первоначальную форму после деформации. При пружинении металлическая заготовка возвращается — обычно лишь частично — к своей первоначальной форме.

Нет тегов для этого поста.

Улучшение изготовления шестигранных гаек холодной ковки путем компьютерного анализа и экспериментальной проверки

Холодная ковка играет решающую роль в производстве крепежных изделий и применяется в автомобильной, строительной, аэрокосмической промышленности и в бытовых изделиях, так что холодная ковка открывает возможности для производства большего количества продуктов. С помощью компьютерного моделирования в этом исследовании делается попытка проанализировать процесс создания деталей машин, таких как шестигранные гайки.Программное обеспечение DEFORM-3D применяется для анализа процесса на различных этапах компьютерного моделирования, а испытание на сжатие также используется для уравнения напряжения течения, чтобы сравнить различия между экспериментальными результатами и уравнением, которое встроено в уравнение. программное обеспечение для компьютерного моделирования. В то же время металлография и экспериментальная твердость используются для понимания характеристик холодной штамповки шестигранных гаек. Результаты исследования будут полезны машиностроительным предприятиям для понимания нагрузки при ковке и условий формования на различных этапах до формирования крепежа.В дополнение к планированию надлежащей конструкции и производства штампов, качество производимых шестигранных гаек будет более стабильным для повышения конкурентоспособности в промышленности.

1. Введение

Винты, также называемые крепежными деталями, широко применяются и являются важными деталями. Развитые страны с более высокой индустриализацией имеют более высокий спрос на большое количество винтовых креплений. Крепления незаменимы в нашей повседневной жизни. В условиях глобальной рецессии индустрия крепежа на Тайване пострадала от серьезного воздействия развивающихся стран материкового Китая, Юго-Восточной Азии и Индии, а также от антидемпинговых мер.Ожидаются новые вызовы. Процесс ковки в крепежной промышленности является важной технологией. Ковка — это ремесло обработки, изменяющее форму металлических материалов под давлением, так что материалы становятся коваными с определенными механическими свойствами, формами и размерами. Другими словами, металлические материалы сжимаются или выдавливаются между матрицами, чтобы частично или полностью увеличить высоту и ширину или принять требуемую форму. В этом случае качество ковочных штампов будет влиять на качество, стоимость и эффективность продукции.Поэтому становится критически важным быстро спроектировать матрицу и проверить ее надежность для повышения промышленной ценности.

Большинство производителей, которым требуется массовое производство винтов, выбирают холодную ковку. Холодная ковка — это обычный, но важный процесс обработки металла, в котором в основном используется штамп для фиксации нижней части металлического стержня до требуемой формы с помощью пуансона. Конечные изделия в основном используются для соединения различных строительных деталей. Поскольку нагрев не требуется, точность и гладкость поверхности являются оптимальными.При этом дорогой поковочный штамп сохраняется для более длительного срока службы. Это может снизить стоимость ковки, а также повысить прочность металла. Фальк и др. [1] в 2001 году применили программное обеспечение DEFORM для конечных элементов, чтобы предложить метод корреляции объема поковки, который мог просто и точно оценить срок службы штампа для холодной штамповки, но также был проверен экспериментально. С помощью программного обеспечения ANSYS для конечных элементов Ландре и др. [2] использовали программное обеспечение конечных элементов для моделирования процесса цилиндрического сжатия углеродистой стали 1040, обсудили влияние трех форм предварительной формовки на предел деформации и предсказали место деформации при разрушении заготовки на заготовке.Кроме того, коэффициент разрушения использовался для сравнения применимости процесса по различным критериям. Ли и др. [3] использовали DEFORM для анализа напряжения пресс-формы для холодной штамповки в 2002 году и разделили его на две процедуры. В процедуре 1 форма предполагалась как твердое тело, нагрузка добавлялась к форме после того, как заготовка была сформирована, а затем предшествовал анализ напряжения. В процедуре 2 форма предполагалась как упругое тело в процессе формирования заготовки для анализа напряжения формы.Напряжение пресс-формы при таких двух процедурах сравнивали с ним в эксперименте. Результат показал, что деформация формы, принятой за упругое тело, близка к эксперименту. Следовательно, точность DEFORM убедительна в этом исследовании. Тамура и др. [4] исследовали размерную точность и однородность кованых круглых заготовок. В исследовании использовался трехмерный жесткопластический метод конечных элементов, и достоверность анализа была проверена лабораторными экспериментами с использованием свинцовых заготовок.При этом уточнено и уточнено независимое влияние каждого выбранного основного эксплуатационного параметра, т. е. угла поворота и подачи. В результате было предложено оптимальное сочетание угла поворота и подачи с учетом не только размерной точности, но и производительности. Джоун и др. [5] представил ориентированный на применение конечно-элементный подход к структурному анализу кузнечного штампа. В их работах условие нагружения извлекалось автоматически из симулятора ковки, основанного на жестко-вязкопластическом методе конечных элементов, и таким же образом учитывался предварительный натяг от силы прижима.Sofuoglu и Gedikli [6] использовали физическое моделирование и программное обеспечение ANSYS для анализа внутренних изменений сетки заготовки и нагрузки выдавливания с определенным смещением пуансона, когда в процессе трехмерного выдавливания использовались различная скорость выдавливания и угол полувыдавливания матрицы. МакКормак и Монаган [7] получили коэффициент критерия Латама, проанализировали процесс формования болтов с шестигранной головкой и нагрузку сдвига пресс-форм, а также усовершенствовали процесс формования для определения параметров процесса формования в 2001 году.Кроме того, МакКормак и Монаган использовали DEFORM для анализа влияния параметров пресс-формы для изготовления болтов с шестигранной головкой на напряжение пресс-формы. Результаты анализа показали, что напряжение пресс-формы будет снижено, а срок службы увеличится, если геометрическая форма пресс-формы позволит материалу легко течь в процессе формования. Ким [8] применил многоступенчатую непрерывную холодную ковку для формирования контактного штифта в 2007 году, когда экструзия и осадка заменили традиционную сварку, использовал CAMPform-3D и холодную ковку для проверки и успешно произвел продукты, которые позволили избежать 10% дефекты, вызванные сваркой.Ван и Чен [9] решили проблемы обработки тонкостенных деталей и, на примере типичных осевых тонкостенных деталей, предшествовали общему анализу метода обработки, чтобы выяснить, какой метод обработки возможен для эталона. аналогичная обработка тонкостенных деталей. Чтобы устранить дефекты заготовок, потери сырья и энергии, длительную процедуру обработки и низкую эффективность производства при производстве концевой муфты, Ma et al. [10] использовали программное обеспечение DEFORM-3D и мелкосерийное производство в полевых условиях, чтобы доказать преимущества экструзионного формования, включая высокую точность размеров, снижение производственных затрат и хорошую формуемость, чтобы удовлетворить требования массового производства.

Методы инкрементной ковки дают возможность производить точные кольцевые компоненты с меньшими нагрузками, чем операции прессования. Guangchun и Guoqun [11] использовали метод конечных элементов при анализе процесса ротационной ковки. Трехмерный код жестко-пластического конечно-элементного анализа был разработан на языке FORTRAN и использован для анализа процесса ротационной штамповки кольцевой заготовки. Результаты показали, что механическая модель, найденная в этой статье, хорошо согласуется с практическим процессом ротационной ковки.Микроковка — это область с большим потенциалом, особенно в электронных и медицинских устройствах; например, Hsia et al. [12, 13] использовали конечно-элементное программное обеспечение DERORM-3D для моделирования процесса прямой экструзии и ковки 3C микроштифтов в 2013 и 2014 гг. экспериментальный процесс. Их исследование также оценило эффективное напряжение-деформацию и свойства текучести материала после экструзии и реакцию головки пуансона, когда прогнозируемый материал формировался для стандарта оценки для проектирования головки пуансона и прочности конструкции штампа.

Публикация гораздо более широкого круга приложений для промышленной ковки значительно поощрит использование компьютерного моделирования. Нацелившись на процесс формирования шестигранных гаек, это исследование предваряет программный анализ и моделирование для обсуждения распределения напряжения, деформации, поля скорости и нагрузки на каждом этапе, чтобы помочь предприятиям прогнозировать возможные проблемы в процессе формования, когда проектирование штампов. Кроме того, стоимость разработки штампов может быть снижена, что сделает производство крепежа более эффективным.

2. Методология исследования и экспериментальная основа

В производстве крепежных изделий решающее значение имеет обширный опыт работы с продуктом. Отсутствие мощной поддержки теорий и известных научных данных может привести к узким местам в развитии. Например, продукты, которые постоянно тестируются на платформе, могут задержать доставку продукта. Увеличение затрат повлияет на индустрию крепежа. Использование программного обеспечения для автоматизированного анализа FEM (DEFORM-3D) для ковки металлов было важным в последние годы и стало тенденцией развития.Внедрение автоматизированного проектирования и анализа в проектирование и производство штампов для крепежа может эффективно сократить время разработки продуктов, еще больше сократив количество испытаний штампов и избежав образования отказов. Помимо обеспечения качества поковок и увеличения срока службы штампов, это может снизить затраты на использование материалов и модификацию штампов.

2.1. Теория холодной штамповки

Поскольку деформация металла представляет собой сложное деформационное поведение, допущение о том, что граничные условия и характеристики материала в анализе методом конечных элементов являются точными и разумными, в значительной степени повлияет на результаты анализа.В этом случае требовались подходящие предположения для моделирования при анализе или моделировании обработки пластика, чтобы разумно упростить сложность обработки пластика и сократить время алгоритма. Допущения для моделирования перечислены ниже.

2.1.1. Критерий текучести

Обычно критерий текучести фон Мизеса принимается как правило пластичности материала. Он обеспечивает взаимосвязь между условием текучести материала и трехмерными напряженными состояниями. Все три осевых главных напряжения , и могут быть выражены как эффективное напряжение, указанное фон Мизесом, когда эффективное напряжение достигает значения предела текучести материала , тогда в этом материале начнется пластическая деформация.Уравнение (1) выражается как

2.1.2. Режим постоянной температуры

Температуру формовки поддерживали на уровне комнатной температуры, а температура, возникающая в результате пластической деформации кованого металла заготовки в процессе холодной ковки, была небольшой, поэтому влияние локальной температуры не учитывалось.

2.1.3. Модель трения

Холодная ковка крепежных изделий показала высокое контактное давление, поэтому модель постоянного трения использовалась для трения на границе раздела; постоянный коэффициент трения рассматривался как коэффициент трения на границе раздела, а трение на поверхности раздела между формой и изделием в процессе оставалось постоянным.

2.2. Экспериментальные этапы

Программное обеспечение для компьютерного моделирования SolidWorks применяется для создания трехмерной геометрической модели штампов и заготовок в этом исследовании. На рис. 1 показан 5-ступенчатый продукт анализируемой шестигранной гайки; На рис. 2 показана работа штампа, пуансона и поковки с 1/6 исходной формы. Первый этап — это предварительное формирование шестигранной гайки, второй этап — изменение внешней формы шестигранной гайки, третий этап и четвертый этап — выявляют большие изменения на пуансонном штифте, которые, по-видимому, испытывают большие нагрузки из-за предварительного формирования отверстия шестигранной гайки. гайка, а пятая стадия повторяет процессы двух предыдущих стадий и продолжает деформацию холодной штамповкой до конечного размера изделия.Для анализа фигуры сначала преобразуются в файлы STL, а затем импортируются в программу формования DEFORM-3D для моделирования. Блок-схема анализа показана на рисунке 3, где сначала определяется направление исследования, а затем приобретаются истинные материалы для испытания на сжатие, чтобы получить напряжение течения для проверки. Имитационному анализу на различных этапах можно было бы предшествовать, когда экспериментальный результат является правильным. Окончательные результаты сравниваются с полевой обработкой, чтобы проверить осуществимость всей компьютерной симуляции.




2.3. Испытание на сжатие

Заготовки подверглись испытанию на сжатие на универсальной испытательной машине, чтобы получить данные о нагрузке холодной штамповки и шагах сжатия, с помощью которых рассчитываются истинное напряжение и истинная деформация, строится линейный график напряжения течения с Программное обеспечение Grapher, и уравнение получено с помощью статистической регрессии.

В ходе эксперимента материал AISI 1010 сначала нарезается так же, как и шестигранная гайка для испытательного цилиндрического образца, соотношение внешнего диаметра и длины устанавливается равным 1 : 1.5, а фактический внешний диаметр готового цилиндрического образца составляет 6 мм, а высота 9 мм. Для испытания на сжатие используется универсальная испытательная машина с давлением 100 тонн; цилиндрический образец перед прессованием покрывают смазкой (двуокисью марганца), чтобы можно было испытать материал, находясь ближе к фактической производственной линии. После сжатия до этих значений с 30%, 60%, 75% и 90% (рис. 4) компьютер автоматически записывает нагрузку холодной штамповки, шаг сжатия и время деформации в экспериментальном процессе.Такие данные далее рассчитываются и систематизируются с помощью Excel. Нагрузка холодной штамповки, процесс деформации сжатия и геометрическая форма цилиндрического образца преобразуются в инженерное напряжение и инженерную деформацию с помощью (3) и (4), а затем преобразуются в истинное напряжение и деформацию с помощью (5) и (6).


Инженерное напряжение:

Инженерное напряжение:

Истинное напряжение:

Истинное напряжение: где сжимающая нагрузка, а начальные площадь поперечного сечения и высота, высота при деформации, а уменьшение.При испытании на сжатие инженерная деформация и сжатие равны; то есть, .

Получив истинное напряжение и истинную деформацию с помощью приведенных выше уравнений, они добавляются в программу Excel и рассчитывают кривую напряжения течения по степенному закону, рис. 5, и уравнение напряжения течения, где константа 633,63 — коэффициент прочности и 0,13 – индекс твердения. В этом испытании на сжатие начальная высота цилиндрического образца составляет 9 мм, а диаметр — 6 мм. Максимальное снижение на 90%, показанное на рисунке 4, означает истинную деформацию 2.3 мм/мм, но только до величины 1,5 мм/мм широко используется для получения данных о напряжении течения при обработке металлов давлением. Получив напряжение течения, уравнение далее подставляется в DEFORM-3D для моделирования, которое сравнивается с результатом анализа с уравнением, встроенным в базу данных программного обеспечения, чтобы понять разницу в результате компьютерного моделирования между фактическим испытанием на сжатие. и программное обеспечение на различных этапах для дальнейшего использования.


2.4. Выбор параметра моделирования

Штамп, деформируемые материалы и параметры моделирования для настроек в процессе анализа показаны в таблице 1. В операциях предварительной штамповки коэффициент трения 0,12 применяется для моделирования условий холодной штамповки из-за условия смазки между ковочным штампом и заготовкой. Ввод вышеуказанных параметров в программу компьютерного моделирования DEFORM-3D позволяет проводить анализ на различных этапах. Поскольку нагрузка на материалы напрямую влияет на срок службы материала, сравниваются и обсуждаются нагрузка, полученная в результате эксперимента, и моделирование кривой напряжения течения, построенное в программном обеспечении для анализа.

+
Расход напряжения Коэффициент трения 1/6

Заготовка AISI 1010
осесимметричной структура
сетки Номер 30384 30000
Управляющий удар (мм / сек) 420 420 420
Дополнительный объем одного шага (мм) 0,02 0,02
Заготовка / Die Пластика жесткости

3.Результат и обсуждение
3.1. Нагрузки холодной штамповки из базы данных и испытания на сжатие

5-этапный процесс изготовления шестигранных гаек с использованием базы данных, созданной в ходе компьютерного моделирования, и кривой напряжения течения, полученной при фактическом испытании на сжатие, продолжился моделированием и анализом, таблица 2. База данных Нагрузка холодной штамповки берется из базы данных в программном обеспечении для компьютерного моделирования, и знаки плюс-минус используются для представления разницы между результатом моделирования и фактическим экспериментом по сжатию.Знак «плюс» означает, что результат больше, чем база данных, а знак «минус» означает отрицательное значение. Нагрузка в Таблице 2 является конечной стадией сжатия на каждой ступени; и 1/6 симметричных шестигранных гаек зацеплены для анализа моделирования, что реальная нагрузка холодной штамповки — это конечная нагрузка, умноженная на 6. При сравнении большая разница 11% появляется на третьем этапе, в то время как ошибка на других этапах составляет оказалось от 2% до 3%. В результате 5-этапного моделирования, рис. 6, красная линия представляет собой результат моделирования, основанный на кривой напряжения течения в базе данных, черная линия — результат моделирования кривой напряжения течения в эксперименте по сжатию, а синяя — разница между ними.При сравнении наибольшая разница появляется в начале сжатия на каждой ступени, где самые большие 80% среди 5 ступеней появляются на шаге сжатия 0,04 мм на третьей ступени. В этом случае наибольшая разница появится в интервале, когда материал начинает течь, то есть первые несколько шагов после начала сжатия, в отношении уравнений течения для имитационного анализа с помощью формовочной программы DEFORM-3D либо с экспериментом по сжатию или с базой данных, встроенной в программное обеспечение.Затем анализ моделирования следует истинному напряжению и действительному соотношению деформации в уравнении течения. На рис. 6 также представлена ​​нагрузка холодной штамповки 80,16 кН (10%) на первом этапе, 178,08 кН (21%) на втором этапе, 218,04 кН (26%) на третьем этапе, 237,66 кН (около 29%) на третьем этапе. четвертой ступени и 117,3 кН (14%) на пятой ступени при общей нагрузке 831,24 кН.


1/6 Аксиально симметричный Этап 1 Этап 2 Этап 3 Этап 4 Этап 5

Exit (мм) 1.24 3,24 5,3 7,16 9,46
Нагрузка (кН)
База данных 12,92 31,01 40,99 40,39 19.26
Эксперимент
13.36 13.36 29.68 368 36.34 39.61 19.61 19.55
Разница между базойцией и экспериментом +0.436 -1.333 -1.333 -1.333 -4.652 -0.778 -0.778 +0.289
Процент различия (%) + 3% -4% -411% -2% + 2%


3.2. Моделирование процесса производства шестигранных гаек

Результат моделирования на 5 этапах с помощью программного обеспечения для компьютерного моделирования DEFORM-3D, эффективное напряжение, эффективная деформация и поле скоростей на каждом этапе могут быть записаны.На рисунках 7–11 показаны результаты анализа с первого по пятый этапы. Поскольку напряжение может повлиять на срок службы материала, а также на процесс и результат формования, более высокое напряжение представляет более высокий индекс затвердевания, что может затруднять обработку материала. Кроме того, нагрузка будет сосредоточена на углах при общей обработке, поэтому матрица должна быть скруглена для плавного потока материалов. Деформация может помочь в понимании места деформации в пласте, а поле скоростей помогает нам понять течение материалов в полости в процессе сжатия.

На рис. 7 показана предварительная формовка на первом этапе, когда на внутреннем угле изгиба штампа возникает максимальное эффективное напряжение 686 МПа и максимальная эффективная деформация 1,84 мм/мм, а также появляется наибольшая скорость поля скоростей 472 мм/сек. на голове. На рис. 8 представлены максимальное напряжение 750 МПа и максимальная деформация 3,66 мм/мм на втором этапе по углам внешнего изгиба верхней и нижней частей и максимальная скорость 894 мм/сек. Поскольку фигура верхнего пуансона показывает явные изменения на третьем этапе, рис. 9, напряжения сосредоточены на поверхности выдавливания штифта на верхней и нижней поверхностях, а максимальное напряжение 761 Ма, максимальная деформация 4.10 мм/мм, а поле скоростей 1750 мм/сек возникает на периферии верхней поверхности материала. На рис. 10 представлены максимальное напряжение 814 МПа и максимальная деформация 6,85 мм/мм на четвертой стадии, где подошвенная порода претерпевает большие изменения, а также максимальное поле скоростей 1920 мм/с на периферии верхней поверхности. На рис. 11 показана пятая стадия формообразования, где в материале внутри отверстия возникают максимальное напряжение 922 МПа и максимальная деформация 17,9 мм/мм, общее распределение напряжений и деформаций проявляется даже больше, чем на первых четырех стадиях, максимальное поле скоростей показывает 1190 мм/сек, а поток появляется на нижней поверхности и на верхней поверхности.На рис. 12 показаны результаты анализа на дополнительном этапе, где максимальное эффективное напряжение 839  МПа возникает на этапе 165, концентрируясь на участке, где срезан остаток; максимальная эффективная деформация 8,65 появляется в том же месте, что и максимальное эффективное напряжение; а максимальное поле скоростей 431 мм/сек возникает в области дна после плоской прорезки отверстия. Из приведенных выше результатов моделирования видно, что форма шестигранной гайки показывает наибольшее изменение на пятой стадии, когда на стадии возникают максимальные эффективные напряжения и эффективные деформации, а на четвертой стадии появляется максимальное поле скоростей.

В таблице 3 показано сравнение модельных и экспериментальных размеров на разных этапах холодной ковки шестигранной гайки. В данном исследовании обсуждаются только размеры диагонали и толщины. Так как при моделировании задана симметричная сетка 1/6, размеры по оси — указывают диагональ, а по оси — среднюю толщину. Результаты моделирования получены из анализа DEFORM-3D, а экспериментальные размеры различных последовательностей ковки от металла заготовки до чистовой стадии измеряются, как показано на рисунке 1.Из табл. 3 проценты ошибки составляют не более 6,6 %, например, максимум на диагональном размере первой ступени.


Этап Первый этап Второй этап Третий этап Четвертый этап Пятый этап
Размер Диагональ Толщина Диагональ Толщина Диагональ Толщина Диагональ Толщина Диагональ Толщина

Спецификация 14.38 мин. 6,14 / 6,50
Моделирование (мм) 12,89 6,69 13,90 6,42 14,33 6,41 14,33 6,41 14,79 6,67
Эксперимент (мм ) 13.80 60384 6.58 13.68 6.06 14.15 14.15 6.09 14.40 6.28 6.28 14.62 6.38
Ошибка (%) -6.6 1.7 1.9 1.9 5.9 5.9 5.3 5.3 -0.5 -0.5 — 0.5 2.1 1.2 4,5

3.3. Холодная ковка Характеристики фактических кованых деталей

Чтобы понять правильность предыдущего моделирования шестигранных гаек холодной ковки, результатам анализа предшествует конструкция штампа, а затем шестигранные гайки холодной ковки испытываются на твердость и металлографию, чтобы подтвердить эффекты. поля напряжений, деформаций и скоростей на сформированных шестигранных гайках для будущей модификации.В этом исследовании влияние на наиболее важное механическое свойство, твердость, на различных этапах процесса холодной штамповки можно было получить с помощью теста на твердость по Виккерсу, где нагрузка прессования составляет 100  g. На рис. 13 показаны 9 точек измерения, взятых из секции шестигранной гайки; На рис. 14 показана диаграмма кривой твердости, измеренной по методу Виккерса. Порядок контрольных точек на рисунке 13 начинается с верхней внутренней стороны шестигранной гайки, а затем перемещается вдоль внешней стороны для измерения; последние 2 точки измерения расположены в центре.На рис. 14 видно, что внутренняя сторона шестигранной гайки, прошедшая многопроходную обработку для формирования сквозного отверстия, имеет более высокую твердость, чем внешняя сторона; например, точки 1, 7 и 8 представляют самую высокую твердость. Внешняя сторона шестигранной гайки деформируется только из-за выдавливания методом холодной штамповки верхнего пуансона на первом этапе, твердость которого ниже, чем у внутренней стороны; например, точки 3, 4, 5 и 6 показывают более низкую твердость. Вообще говоря, большая деформация требует большего времени обработки, чем относительно выше твердость.На рис. 15 показано распределение максимальных главных напряжений на третьем, четвертом и пятом этапах последовательности холодной штамповки. Из-за большой деформации, происходящей в заготовке, сетка FEM сильно вырождается во время моделирования. Следовательно, процедура пересоздания сетки выполняется часто для завершения моделирования. На рисунке 15 также показано, что максимальные главные напряжения, показанные на внутренних сторонах, находятся в диапазоне 330–1670 МПа. Они больше, чем внешние стороны трех ступеней.Отсюда ясно, что высокие напряжения, вызванные большой деформацией, сосредоточены во внутренних сторонах. Этот процесс холодной ковки вызовет явления закалки в этой области, показанные на рисунке 14.



Одной из наиболее важных частей информации о кованом изделии являются линии потока металла. При проектировании процесса ковки иногда возникают ошибки конструкции из-за дефектов внутренних линий потока металла, даже если внешний вид имеет правильную форму.В этом исследовании также проверяется текучесть шестигранных гаек с использованием экспериментального метода и численного моделирования. Исследуемые шестигранные гайки имеют небольшие размеры, поэтому их монтажу на металлографию сначала предшествует необходимая пробная стружка, а затем грубая и тонкая шлифовка и полировка. Во время грубой и тонкой шлифовки усилие и угол должны быть стабильными, и тестовая стружка продолжает шлифовку после поворота на 90°C через определенное время. Такие действия повторяются до тех пор, пока царапины на поверхности не исчезнут.Оксид алюминия размером 0,3  мкм мкм и около 3-4 капель является шлифовальным материалом, используемым в процессе испытаний, и его следует немедленно высушить и подвергнуть коррозии после полировки, чтобы избежать окисления на поверхности тестируемого чипа, влияющего на качество металлографического наблюдения. В таблице 4 показано металлографическое расположение шестигранных гаек со сквозным отверстием и распределение поточной линии. В Таблице 4 микроструктура левого правого угла примерно сформирована на предыдущих 3 стадиях, так как небольшая деформация металлографии не имеет очевидного направления; микроструктура верхнего правого угла представляет собой внутреннюю стенку переходного отверстия с очевидной нисходящей линией потока; линия тока в левом нижнем углу может быть отнесена к полям скоростей на первой и второй стадиях, представляющим течение против часовой стрелки; а линию потока в правом нижнем углу можно назвать полем скоростей пятой ступени, показывающей течение по часовой стрелке.Согласно таблице 4 и рисункам 7-11, поля скоростей шестигранных гаек, смоделированные на различных этапах, могут быть использованы для объяснения течения материала, возникающего в процессе формования. Такая информация может быть конкретной ссылкой для проектирования и модификации матрицы.


Коэффициент масштабирования 50x 100x

На верхнем левом углу

На верхнем правом углу

на нижнем левом углу

на нижнем правом углу

4.Заключение

Анализ с помощью программного обеспечения для компьютерного моделирования DEFORM-3D позволяет понять процесс формирования шестигранных гаек, что может быть использовано при разработке или улучшении будущей продукции. Результаты исследования приведены ниже. (1) Максимальная нагрузка 237,66 кН появляется на четвертом этапе, около 29% всего процесса холодной штамповки, а затем 218,04 кН на третьем этапе, около 26%, на 5-м этапе. обработка шестигранной гайки. Следовательно, замена верхнего пуансона и увеличение количества пластов приведет к быстрому увеличению нагрузки.(2) Основное напряжение при 5-этапном формовании сосредоточено на контакте между углом изгиба штампа и штифтом, и более равномерное распределение напряжения не проявляется до пятого этапа. (3) Согласно результатам металлографических испытаний, линия потока, смоделированная с помощью программного обеспечения, соответствует линии в эксперименте. (4) Что касается распределения твердости шестигранных гаек, максимальная твердость связана с многопроходной холодной ковкой, которая в основном сосредоточена на внутренней стороне сформированной шестигранной гайки.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.