- 1 –

QForm – универсальная и эффективная программа для

моделирования ковки и штамповки

Н.В. Биба, С.А. Стебунов, Ю.А. Гладков, кандидаты техн. наук,

П.С. Мордвинцев (ООО «КванторФорм», г. Москва)

www.qform3d.ru

E-mail: info@qform3d.com, sales@qform3d.ru

Представлены возможности программы QForm по оптимизации

течения металла, исправлению дефектов и расчѐту напряжѐнно-

деформированного состояния инструментов при получении

поковок. Рассмотрены модули программы для расчѐта

динамической и статической рекристаллизации, а также

изменения фазового состава металла при термообработке.

Продемонстрированы результаты сотрудничества ООО

«КванторФорм» с другими разработчиками программного

обеспечения кузнечно-штамповочной промышленности.

Ключевые слова: QForm; моделирование; метод конечных

элементов; технологический процесс; штамповка; ковка; вальцовка;

раскатка, прокатка; микроструктура; термообработка.

Введение

Программа QForm отвечает самым высоким требованиям в области

моделирования процессов кузнечно-штамповочной

промышленности. Моделирование легко выполняется для всей

технологической цепочки, состоящей из таких операций, как

управляемый нагрев, формоизменение, обрезка и охлаждение.

- 2 –

Помимо вычислений температуры, напряжений и деформаций

программа может рассчитывать процессы рекристаллизации и

изменения размера зерен. Возможен расчѐт операций

термообработки (например, закалки) для предсказания свойств

поковки (фазовый состав, твѐрдость, остаточные напряжения и т.д.).

Программа легка в освоении и не требует специальной подготовки

кроме практического опыта в области технологии обработки

давлением, что обеспечивает снижение временных затрат на

разработку новых и оптимизацию существующих технологических

процессов. QForm легко может применяться на средних и малых

предприятиях благодаря простому интерфейсу, быстрой подготовке

исходных данных и полностью автоматическому расчѐту.

Какие наиболее значимые преимущества использования

программы QForm?

QForm – это программа, которая с самого начала разрабатывалась

прежде всего для специалистов кузнечно-штамповочного

производства. Программа обеспечивает всестороннюю проработку

технологических процессов в виртуальном окружении. Расчѐтчик

может задать любую последовательность операций, в которую могут

входить предварительные и промежуточные операции

нагрева/охлаждения, фасонирование и обрезка.

Программа отличается малым сроком внедрения в производство. Она

имеет ясный и прозрачный интерфейс ввода исходных данных и

контроля параметров. Очень удобна интегрированная архитектура

программы без отдельных модулей пре- и постпроцессора. Результаты

- 3 –

расчѐта видны сразу после начала моделирования, тем самым

возможно оперативное определение ошибки и еѐ исправление. Новые

пользователи могут быстро обучиться и начать работу с программой.

Специалисты, которые занимаются расчѐтами время от времени,

чувствуют себя комфортно при возвращении к работе с QForm.

Запуск моделирования и ввод исходных данных производится за

несколько минут с помощью специального «Мастера Подготовки

Исходных Данных». Он подсказывает необходимые действия и

обеспечивает отсутствие ошибок во время ввода параметров расчѐта.

Во время самого расчѐта существует удобный способ отображения

исходных данных с помощью «Редактора Свойств», в нѐм также

возможно редактирование исходных данных буквально по одному

щелчку мыши.

Расчѐтный проект может содержать в себе несколько вариантов

моделирования. Каждый вариант может содержать свою

технологическую цепочку операций. Всѐ это позволяет пользователю

анализировать сразу несколько вариантов технологического процесса

для определения оптимальных параметров. Технологическая цепочка

может содержать переход от 2D к 3D расчѐту.

После того как исходные данные введены, программа начинает

автоматический расчѐт. Вмешательство пользователя не требуется, за

исключением возможного ручного межоперационного

позиционирования заготовки. Нет необходимости в контроле

генерации сетки конечных элементов, шага расчѐта и других

параметров численного моделирования. Результат не зависит от

- 4 –

квалификации пользователя в методе конечных элементов. Точность

расчѐта гарантируется высококлассным адаптивным генератором

сетки, который с легкостью справляется с самыми сложными

задачами, такими как штамповка коленчатого вала (рис. 1).

а б

Рис. 1. Фотография поковки коленчатого вала (а) и результат моделирования в

QForm (б) показывают высокую сходимость расчѐтных и практических данных.

Форма облоя на конечной стадии деформирования полностью совпадает с

практикой

Оптимизация течения металла при штамповке автомобильных

деталей

Качественная технология горячей штамповки должна обеспечивать

хорошее заполнение штампов и оптимальное формирование

волокнистой структуры поковок, которая повышает

эксплуатационные характеристики детали. QForm позволяет

предсказывать волокнистое строение поковок, формируемое в

процессе кузнечной обработки. Рассмотрим пример технологического

процесса получения поковки шатуна, который включает четыре

перехода вальцовки, плющение, предварительную и окончательную

штамповку на винтовом прессе и операцию обрезки (рис. 2).

- 5 –

Рис. 2. Фотографии заготовки после каждого этапа технологической цепочки

получения поковки шатуна с использованием нескольких переходов вальцовки

Моделирование вальцовки показано на рисунке 3. Форма

вальцованной заготовки значительно влияет на волокнистое строение

конечной поковки. Следовательно, путѐм модификации заготовки

можно достичь оптимальной волокнистой структуры в поковке.

Рис. 3. Моделирование переходов вальцовки при получении поковки шатуна

На рисунке 4 показано предсказанное и реальное волокнистое

строение шатуна, полученного до и после оптимизации. Как видно из

рисунка, «виртуальные» волокнистые линии соответствуют

макроструктуре на срезе реальной детали. Волокнистое строение

- 6 –

после оптимизации обеспечивает более высокие эксплуатационные

характеристики детали.

Рис. 4. Линии волокнистого строения поковки шатуна, предсказанные

моделированием: до оптимизации (а), после оптимизации (б); реальное

волокнистое строение на срезе детали до и после оптимизации (в)

Исправление дефектов штамповки

Автоматическое распознавание и определение мест возникновения

дефектов штамповки является одним из важных полезных свойств

программы. QForm распознает дефекты в процессе моделирования и

показывает места их возникновения. Дефекты типа зажима или

складки программа выделяет красным цветом. Расчет при этом не

останавливается. Глубина и местоположение дефекта отслеживается

через всю последовательность операций, давая возможность

локализовать дефект и принять меры к его устранению. Метод

определения дефектов при штамповке в программе QForm работает

а

б

в

- 7 –

для очень сложных конфигураций дефектных областей, которые

могут появиться в любой зоне поковки (рис. 5).

QForm также определяет появление прострелов (рис. 6). Прострел при

штамповке обычно возникает вблизи поверхности, но при этом

дефекте отсутствует складывание поверхности заготовки. Дефект

появляется вследствие интенсивного сдвига и встречного течения

металла. Прострел идентифицируется в QForm с помощью

приповерхностных линий течения.

а

б

Рис. 5. Образование складки при заполнении гравюры инструмента парной

штамповки (а). Показана фотография и фрагмент моделирования, наглядно

демонстрирующий механизм образования дефекта (б). Складки при

моделировании автоматически помечаются красными точками

- 8 –

а б

Рис. 6. Идентификация прострела при штамповке: (a) фото; (б) место дефекта

показывается в QForm изгибом приповерхностных линий течения, которые

показывают интенсивность проникновения металла с поверхности вглубь поковки

Расчѐт инструмента

Стоимость инструмента может составлять значительную долю

производственных затрат, особенно вследствие высоких контактных

давлений в процессах холодной и теплой объемной штамповки. С

помощью моделирования в QForm можно точно определить причины

разрушения инструмента и наметить пути исправления конструкции

штампа. На рисунке 7 точно определено место концентрации

растягивающих напряжений, которые приводят к низкой стойкости

инструмента. Проблема была решена путем использования составного

инструмента с разрезом в зоне концентрации напряжений.

- 9 –

Рис. 7. Анализ причин разрушения инструмента с помощью моделирования

штамповки шестерен: слева локализация зоны максимальных растягивающих

напряжений; справа фото трещины в инструменте и увеличенное изображение

разрушения инструмента

Программа обладает рядом дополнительных опций для оптимизации

работы инструмента при объемной штамповке. Условия закрепления

штамповой вставки могут меняться в диалоге для поиска технических

решений, программа показывает распределение деформаций и

напряжений в инструменте (рис. 8). На основе оценки

неравномерности износа, специалистом могут быть найдены пути

увеличения срока службы инструментов.

a б в

Рис. 8. Распределение напряжений на верхнем штампе (а), на нижнем штампе (б)

и распределение температуры на поверхности поковки (в)

В некоторых случаях упругая деформация гравюры инструмента под

воздействием контактных сил может существенно влиять на форму

- 10 –

конечной поковки. Например, в случае штамповки лопаток, когда их

перо получают только операциями деформирования. Программа

позволяет решить эту проблему путѐм анализа отклонений

инструмента и использования полученных данных для

проектирования инвертированного инструмента.

Термообработка и термические напряжения в поковках

После завершения формообразующих операций большинство деталей

подвергаются термообработке. Для этих случаев программа позволяет

моделировать фазовые превращения согласно диаграммам

изотермического превращения аустенита, которые дают возможность

отследить фазовые превращения в зависимости от состава

легирующих элементов и интенсивности охлаждения (рис. 9). Также

могут быть рассчитаны изменение формы, термические напряжения и

твѐрдость.

а б в

Рис. 9. Результаты моделирования термообработки штампованной поковки.

Мартенсит на поверхности поковки (a), распределение мартенсита по сечению (б)

и твѐрдость на поверхности (в)

Использование прогноза микроструктуры для контроля свойств

деталей, полученных операциями свободной ковки

Программа имеет специальный модуль для моделирования

динамической и статической рекристаллизации, с помощью которого

- 11 –

возможно отслеживание размера зерна (рис. 10) и доли

рекристаллизованных зѐрен, сформированных в технологическом

процессе, включая нагрев, деформирование, промежуточный подогрев

(при его наличии) и охлаждение.

После окончания моделирования процесса программа отображает

распределение остаточных напряжений, возникших в результате

деформации и последующего охлаждения.

а б

Рис. 10. Предсказание размера зерна во время ковки крупного слитка. Начальный

размер зерна составляет 2000 мкм. Слиток перед осадкой с зерном 2000мкм (a),

распределение размера зерен после осадки и протяжки (б) – минимальный размер

150 мкм

Взаимодействие QForm с другими компьютерными программами

кузнечно-штамповочной промышленности

В течение многих лет QForm применяется на многих штамповочных

предприятиях в Европе, Азии и Америке. Из-за необходимости

расчѐта как предварительных, так и окончательных операций

технологической цепочки в QForm были добавлены возможности по

расчѐту таких операций, как индукционный нагрев и предсказание

- 12 –

конечной формы и свойств детали после термообработки. Работы

выполнялись совместно с другими разработчиками промышленного

программного обеспечения, были проведены объединения их

продуктов с QForm. Такое комплексное программное обеспечение

значительно расширяет возможности использования QForm для

расчѐта ковочных и штамповочных технологических цепочек.

Самой первой программой, с которой сложились партнѐрские

отношения, была система VeraCad1. Программа VeraCad обеспечивает

автоматическую разработку переходов вальцовки и формы ковочных

вальц (рис. 11), после чего становится возможным моделирование и

оптимизация процесса в QForm.

Рис. 11. Эпюра сечений (распределение масс) поковки шатуна в программе

VeraCAD

Моделирование Термообработки и формирования Микроструктуры

стали доступны в программе QForm благодаря сотрудничеству с

компанией GMS Bernau (Германия). Разработанная ими программа

Matilda2 (рис. 12) была встроена в QForm.

1 В сотрудничестве с Eratz Ingenierbuero, Германия

2 В сотрудничестве с GMS Bernau, Германия

- 13 –

Рис. 12. Диаграмма изотермического превращения аустенита для моделирования

термообработки в программе Matilda

В сотрудничестве с компанией ABP (Германия) был разработан

интерфейс взаимодействия между программами QForm и

THERMPROF3

. Программа THERMPROF рассчитывает режим

индукционного нагрева заготовки по еѐ параметрам, необходимую

производительность и время нагрева в индукторе ABP. На рисунке 13

показан результат моделирования индукционного нагрева в

программе QForm после импорта данных из THERMPROF.

Рис. 13. Результат моделирования индукционного нагрева в программе QForm

после импорта данных из THERMPROF

3 В сотрудничестве с ABP, Германия

- 14 –

Результаты моделирования THERMPROF импортируются в

программу QForm для моделирования деформации с использованием

реального распределения температуры в заготовке после

индукционного нагрева.

Высокая экономическая эффективность

С точки зрения наших пользователей программа QForm является

удобным инструментом моделирования процессов ковки и

штамповки, что обеспечивает быстрое возвращение инвестиций путѐм

ускорения проектирования технологий и сокращения издержек

производства. Программа QForm постоянно наращивает возможности

моделирования и имеет конкурентоспособные преимущества. Все

совершенствования, новые возможности и модули расчѐта программы

направлены на экономию затрат предприятий, которые еѐ используют.