За последнее десятилетие дизайн экспериментов (DOE) и методы оптимизации были интегрированы в программное обеспечение для моделирования ковочно-штамповочных процессов. Передовая технология позволила определить большие модели моделирования ковочных процессов, автоматически обрабатывать и эффективно анализировать с использованием мощных статистических инструментов. Основополагающие концепции и симуляционные реализации этих методов были обобщены в предыдущих статьях. (См. «Дизайн экспериментов в ковке и оптимизация в процессе моделирования», FORGE, август и октябрь 2015 г.).
Недавнее тематическое исследование показало, как технология DOE позволяет пользователям лучше понимать и совершенствовать ковочные процессы. Проект PRO-FAST включал Cornell Forge, SFTC, FDMC и DLA. [3] Цель исследования заключалась в улучшении процесса ковки стальной шестерни. Это было выполнено с использованием инструментов DOE, интегрированных в DEFORM. В существующем процессе наблюдались высокие ставки лома из-за недополнения на длинном конце ковки (рис.1). Чрезмерное время производства вызвано необходимостью частого устранения неполадок в процессе ковки и корректировок оператора.
Первым этапом проекта было охарактеризовать существующие условия ковочного процесса. Это гарантировало, что имитационная модель точно отражает реальность. Инструменты DOE использовались для реконструирования условий процесса ковки, которые в противном случае трудно измерить в кузнечном цехе. Карты Tornado показали, что этот процесс преимущественно чувствителен к трению. Графики поверхностного ответа подтвердили то, что уже знали операторы и менеджеры, — что подходящее окно обработки было узким.
При установлении правильных входных данных для улучшения процесса использовался метод DOE на основе моделирования. Этот шаг был намного более совершенным, чем сопоставления A-vs.-B, используемые в традиционном развитии. Интегрированные инструменты DOE автоматизировали сотни симуляций ковочно-штамповочного процесса. Они оценили многочисленные вариации процесса ковки во всем кузнечном производственном процессе. Несколько исследований были использованы для определения идеальной геометрии штамповой детали, геометрии инструмента и условий процесса ковки и штамповки. Идеальный процесс редизайна прогнозировался равномерно и полностью заполнял оба конца ковки.
Оптимизация не обеспечивает надежность ковочного процесса. Процесс, который никогда не имеет успеха, плохо разработан. Процесс, работающий в нормальных диапазонах с частыми отказами, не является надежным. Прочный процесс ковки и штамповки обеспечивает регулярный успех, когда рабочие условия находятся в ожидаемых пределах. Критерии, которые определяют надежный ковочный процесс, могут варьироваться в зависимости от приложения.
Прецизионные холодообразующие и критические аэрокосмические штамповые поковки часто используются для более жесткого контроля процесса, чем кузнечная штамповка или ковочный молот. Концепция надежности ковки графически проиллюстрирована на рисунке 2. Оси графики срабатывания представляют собой нормальные рабочие диапазоны для температуры и длины штамповой ковочной заготовки. Зеленая точка обозначена номинальными ковочными пробегами. Некоторые ковочные пробеги могут отклоняться от номинала.
Процесс ковки, который не обладает надежностью, дает плохие результаты, даже несмотря на то, что условия процесса остаются в пределах ожидаемых диапазонов. Прочный процесс ковки обеспечивает хорошие результаты во всем диапазоне нормальных рабочих условий.
Возвращаясь к коробке передач, третий этап проекта PRO-FAST состоял в том, чтобы обеспечить редизайн, обеспечивающий надежный кузнечный ковочный производственный процесс. Окончательное исследование DOE оценило оптимизированную конструкцию против ожидаемого изменения входных ковочных процессов. На рисунке 3 сравниваются графики поверхностного отклика, полученные из исследований DOE по исходным и модифицированным процессам. Графики измеряют количество ковочной штамповой заготовки. В красных регионах указаны сценарии, в которых ковка не заполнялась.
Процесс первоначальной ковки работал только в узком диапазоне обработки. Этот диапазон обозначается маленьким зеленым кружком. Он ограничен линией, указывающей максимально допустимую температуру ковки. Напротив, переработанный процесс был в целом прочным. Это имело место в отношении нескольких переменных, включая время передачи, температуру ковки, длину среза и трение. Номинальный пробег обозначается красной точкой. В некоторых случаях надежность была значительно выше нормальных рабочих диапазонов ковки (пунктирные красные линии).
Эффективность усилий по оптимизации и надежности была доказана во время пробных испытаний. В пробном прогоне было произведено 352 штамповых ковочных поковок. Zero поковки выставлены без заполнения. Производительность ковочно-штампового процесса также была быстрее, чем раньше. Это могло быть связано с надежностью процесса, который был разработан для обработки любых ожидаемых изменений процесса.
Эти примеры иллюстрируют преимущества разработки процесса штамповой ковки посредством компьютерного моделирования. Усилия по оптимизации ковочного процесса впри штамповке могут включать простые сравнения или расширенные методы тестирования. DOE облегчает обратное проектирование входных параметров и идентификацию идеального процесса. Надежность может быть разработана в процессе. Это гарантирует, что кузнечное производство будет успешным не только тогда, когда условия будут идеальными, но также и тогда, когда они не будут.
