Конечно-элементное моделирование технологических процессов ковки и объемной штамповки

Конечно-элементное моделирование  
технологических процессов ковки  
и объемной штамповки

Учебное пособие

Под редакцией А.В. Власова

Федеральное государственное бюджетное  
образовательное учреждение высшего образования  
«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана  
(национальный исследовательский университет)»

ISBN 978-5-7038-5101-2

 
 
 
Конечно-элементное моделирование технологических процессов ковки 
и объемной штамповки : учебное пособие / [А. В. Власов и др.] ; под ред.  
А. В. Власова. — Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2019. — 
383, [1] с. : ил.

ISBN 978-5-7038-5101-2

Приведена методика использования метода конечных элементов при разработке 
технологических процессов ковки и объемной штамповки. Значительное место уделено особенностям реализации метода конечных элементов в программе QForm — 
одном из наиболее востребованных программных продуктов для моделирования 
технологических процессов обработки давлением объемных заготовок. Показаны 
источники возможных ошибок при моделировании. Рассмотрены средства анализа 
результатов моделирования и интерпретации результатов расчета, настройки парамет- 
ров расчета, примеры моделирования с использованием программы QForm. Приведены базовые материалы по основам физики и механики пластической деформации, 
технологии ковки и объемной штамповки, технологическим особенностям кузнечно- 
штамповочного оборудования. В конце каждого раздела пособия даны вопросы и задания для самоконтроля. 
Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям «Проектирование технологических машин и комплексов», «Машиностроение»; также 
может представлять интерес для инженеров-технологов, занимающихся проектированием технологических процессов ковки и штамповки с использованием в качестве 
инструмента проектирования численных методов математического моделирования. 

УДК 621.73; 621.77.01
ББК 34.623

© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019
© Оформление. Издательство 
 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019

Издание доступно в электронном виде по адресу 
ebooks.bmstu.press/catalog/48/book2083.html

Факультет «Машиностроительные технологии»
Кафедра «Технологии обработки давлением»

Авторы:
А.В. Власов, С.А. Стебунов, С.А. Евсюков, 
Н.В. Биба, А.А. Шитиков

Рекомендовано Научно-методическим советом  

МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия

УДК 621.73; 621.77.01
ББК 34.623

К64

К64

ПРЕДИСЛОВИЕ

Учебное пособие предназначено для самостоятельного изучения студентами 
дисциплин, посвященых теоретическим основам и практике использования метода 
конечных элементов (МКЭ) для моделирования технологических процессов ковки 
и объемной штамповки. Эти дисциплины входят в образовательные программы 
бакалавриата по направлению подготовки 15.03.01 «Машиностроение», профиль 
«Машины и технология обработки металлов давлением», магистратуры по 
направлению подготовки 15.04.01 «Машиностроение», профиль «Процессы и 
машины обработки давлением» и специалитета по направлению подготовки 
15.05.01 «Проектирование технологических машин и комплексов», профиль 
«Проектирование технологических комплексов в кузнечно-штамповочном 
производстве». Практические навыки применения МКЭ при расчете технологических 
операций обработки давлением студенты получают при изучении дисциплин 
«Численное моделирование пластических деформаций» (уровень — инженер), 
«Численное моделирование процессов обработки давлением» (уровень — бакалавр), 
а также при выполнении курсовых проектов и выпускных квалификационных 
работ. Теоретические основы конечно-элементного моделирования изучаются 
студентами при освоении дисциплин «Методы расчета технологических операций 
обработки давлением» (уровень — инженер), «Методы анализа пластических 
деформаций» (уровень — магистр).
Цель учебного пособия — приобретение студентами теоретических знаний 
и практических навыков проектирования технологических процессов ковки и 
объемной штамповки на основе конечно-элементного моделирования напряженнодеформированного и термического состояний заготовки и инструмента.
Самостоятельное изучение материалов пособия способствует формированию 
у студентов следующих компетенций, соответствующих устанавливаемым 
образовательным стандартам МГТУ им. Н.Э. Баумана:

 
• моделирование технических объектов и технологических процессов с 
использованием стандартных пакетов и средств автоматизированного проектирования (уровень — бакалавр);

 
• разработка физических и математических моделей исследуемых технологических процессов, выбор численных методов при разработке математических 
моделей технологических процессов в машиностроении (уровень — магистр);

 
• моделирование различных технологических процессов с использованием стандартных пакетов и средств автоматизированного проектирования, 
применение стандартных методов расчета при проектировании, разработка 
технологических процессов ковки и штамповки, технологической оснастки 

Предисловие

с использованием численных методов математического моделирования, стандартных средств автоматизации проектирования (уровень — инженер).
В главах 1 и 3 учебного пособия приведены материалы, позволяющие 
восполнить недостающие знания в области конечно-элементного моделирования. 
Каждая глава завершается заданиями и контрольными вопросами, на 
которые необходимо ответить самостоятельно. 
В пособии представлены базовые материалы по основам физики пластической 
деформации, технологии ковки и объемной штамповки, технологическим 
особенностям кузнечно-штамповочного оборудования. Приведены основные 
сведения по механике пластического деформирования, описана методика 
использования МКЭ при проектировании технологических процессов ковки и 
объемной штамповки. Рассмотрены особенности реализации данного метода в 
программе QForm — одном из наиболее востребованных программных продуктов 
для моделирования технологических процессов обработки давлением объемных 
заготовок. Приведены источники возможных ошибок при моделировании, 
средства анализа результатов моделирования и интерпретации результатов расчета, 
настройки параметров расчета. Рассмотрено большое количество примеров 
моделирования с использованием программы QForm (версия 8.2.4), что позволяет 
эффективно использовать все средства программы.
Материал учебного пособия распределен следующим образом.
Ввведение и главы 1, 2, 4 написаны А.В. Власовым, глава 3 — С.А. Евсюковым, 
главы 5, 6 — А.В. Власовым и Н.В. Биба, глава 7 — С.А. Стебуновым и А.В. Вла- 
совым, параграф 7.3 — А.А. Шитиковым. Авторы выражают благодарность 
сотрудникам ООО «Кванторформ» — разработчикам программы QForm за помощь 
в подготовке учебного пособия.

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ

 
ГКМ — горизонтально-ковочная машина

 
ГОШ — горячая объемная штамповка

 
ГПУ — гексагональная плотно упакованная

 
ГЦК — гранецентрированная кубическая

 
КГШП — кривошипный горячештамповочный пресс

 
КШО — кузнечно-штамповочное оборудование

 
КЭ — конечный элемент

 
МКЭ — метод конечных элементов

 
МНЛЗ — машина непрерывного литья заготовок

 
ОЦК — объемноцентрированная кубическая

 
РТО — разупрочняющая термическая обработка

 
ХОШ — холодная объемная штамповка

ВВЕДЕНИЕ

Технология обработки металлов давлением основана на воздействии на 
исходную заготовку внешними деформирующими силами, которые вызывают 
в ней пластические деформации и придают исходной заготовке новую форму. 
Помимо ковки и объемной штамповки, к операциям обработки давлением 
относят также листовую штамповку, прокатку, прессование и волочение. 
Обработка давлением широко используется в машиностроении, авиакосмической и оборонной отраслях промышленности для изготовления наиболее ответственных деталей. Это обусловлено повышенными механическими 
свойствами деталей, изготовленных обработкой давлением, по сравнению с 
традиционным литьем и обработкой резанием (табл. В1). 
Таблица В1

Ориентировочные параметры размерной точности деталей, достигаемые  
при обработке давлением*

Технологический процесс
Квалитеты точности

6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16

Горячая объемная штамповка
Объемная штамповка + 
калибровка
Точная объемная штамповка
Горячее выдавливание
Теплое выдавливание
Холодное выдавливание
Чеканка
Прокатка (по толщине)
Листовая штамповка (вытяжка)
Точная вырубка
Примечание. Тоном выделены достигаемые квалитеты точности, серым — возможные при 
определенных условиях обработки.

Волокнистое строение металла, полученное при обработке давлением, 
сохраняется и при последующей обработке. Искусственно создавая то или 
иное расположение волокон в детали, можно изменять прочность металла 
по различным направлениям. Детали повышенной прочности изготавливают 
таким образом, чтобы волокна металла описывали конфигурацию детали, а 

* Lange K., ed. Handbook of Metalforming. ASME Dearborn, USA, 1985. 1204 p.

Введение 

напряжения в ответственных местах были направлены не вдоль волокон, а 
поперек (рис. В1).
Большинство технологических процессов обработки давлением имеют 
высокие производительность и коэффициент использования металла. С помощью специальных технологий можно получить высокую размерную точность 
деталей, достаточную для последующей их сборки (см. табл. В1). Следует 
отметить, что ряд технологических операций обработки давлением хорошо 
приспособлен к применению в единичном и мелкосерийном производстве, 
обеспечивая при этом высокое качество готовой продукции.
В процессах ковки и объемной штамповки пластической деформации 
подвергаются объемные заготовки, размеры которых в трех направлениях 
соизмеримы. Ковка, как правило, осуществляется универсальным инструментом, формоизменение происходит за счет течения металла в стороны, 
перпендикулярные движению деформирующего инструмента (рис. В1, а). При 
объемной штамповке применяются штампы, внутренняя полость которых 
имеет форму, близкую к форме готовой детали, что обеспечивает заполнение 
металлом всей внутренней полости (рис. В1, б). 

Рис. В1. Схема формоизменения при ковке (а) и объемной штамповке (б)* 

* На приведенных рисунках символика и обозначения соответствуют принятым в программе QForm версия 8.2.4.

При разработке и отладке технологического процесса ковки и штамповки 
инженер должен учитывать множество факторов, влияющих на процесс формоизменения и в итоге на размерную точность и качество готовой поковки. 
Эти факторы связаны как со свойствами исходного материала, так и с взаимодействием заготовки с инструментом, технологическим оборудованием 
и внешней средой. 
Вопросам технологии ковки и объемной штамповки посвящено большое 
число работ, в частности фундаментальная монография А.Н. Брюханова и 
А.В. Ребельского «Горячая штамповка: конструирование и расчет штампов», 
учебники Е.И. Семенова «Ковка и объемная штамповка», Я.М. Охрименко 
«Технология кузнечно-штамповочного производства», справочник «Ковка и 

Введение

штамповка» под редакцией Е.И. Семенова. За рубежом наибольшую известность получили справочное пособие Handbook of Metalforming под редакцией 
K. Lange, справочник американского общества инженеров-механиков ASM 
Handbook Volume 14A, Metalworking: Bulk Forming, монография по редакцией 
T. Altan Cold and Hot Forgings: Fundamentals and Applications. 
Факторы, влияющие на процесс формоизменения, геометрическую точность и качество готовой поковки при ковке и штамповке приведены ниже:

Заготовка
Свойства металла (сопротивление деформации, пластич - 
ность, теплофизические свойства, микроструктура, 
макроструктура, анизотропия).
Геометрическая форма и размеры, качество поверхности после разделки.
Способ получения (литая, прокат, история деформирования).
Способ нагрева (равномерность температуры, окалина, соблюдение температурного интервала ковки и 
штамповки).
Предварительная подготовка поверхности (смазка, 
фосфатирование, омыливание…)
Инструмент
Механические и теплофизические свойства материала.
Геометрия.
Конструкция (зазоры, натяги, опорные поверхности, 
воздухоотводящие каналы…).
Качество обработки поверхности.
Износ. 
Прочность. 
Температура
Технология
Размеры поковки (допуски, напуски, припуски).
Число, геометрическая форма и последовательность 
технологических переходов.
Смазка. 
Межоперационные интервалы.
Межоперационная обработка (отжиг, нормализация).
Охлаждение заготовки.
Поверхностная обработка, калибровка, обрезка облоя
Технологическое 
оборудование
Силовые и энергетические возможности.
Скорость деформирования и ее изменение во время 
силового воздействия на заготовку.
Жесткость.
Точность 

Несмотря на то что обработка давлением является одной из старейших 
технологий, до настоящего времени проектирование технологических процессов ковки и объемной штамповки ведется эвристическим методом проб 
и ошибок. Строгий алгоритм разработки оптимальной технологии пока не 

Введение

создан. Как правило, технологический процесс разрабатывается на основе 
существующего производственного опыта и научно-технических рекомендаций, а затем доводится экспериментально. Использование метода конечных 
элементов позволяет существенно сократить затраты на эксперимент в том 
случае, если математическая модель технологического процесса адекватно 
отображает реальные явления. Моделирование дает возможность «виртуально» наблюдать за процессом формоизменения заготовки, способствует 
пониманию основ технологии обработки давлением.
Моделирование процессов ковки и объемной штамповки МКЭ позволяет решать задачи формоизменения заготовки по переходам; выполнять 
анализ причин незаполнения штампов, появления других дефектов (зажимы, 
прострелы, утяжины); прогнозировать разрушение поковки вследствие исчерпания ресурса пластичности, износ и разрушение инструмента; получать 
данные о напряжениях и деформациях в заготовке для произвольной точки 
в произвольный момент времени. Определение таких результатов при экспериментальных исследованиях требует специальной аппаратуры и методик 
либо вообще недостижимо.
Несомненным преимуществом математического моделирования является относительно низкая стоимость проверки новых идей и методов ковки и 
штамповки. Для ответа на вопрос «а что будет, если…» на начальном этапе 
инновационной деятельности достаточно создать модель и выполнить расчет.
Выполняя конечно-элементное моделирование технологического процесса, важно адекватно воспроизвести все воздействующие факторы. В противном случае моделирование может привести к выводам, далеким от реальности. 
Допущения, сделанные при разработке модели процесса, следует проверить 
экспериментально. Полезно сначала выполнить моделирование уже отработанного технологического процесса с целью калибровки исходных данных и 
оценки адекватности моделирования.
Значительное число теоретических работ посвящено МКЭ. Особенности 
реализации данного метода для задач обработки металлов давлением достаточно подробно исследованы. 
В то же время отсутствуют работы, в которых обобщен опыт моделирования широкого класса задач ковки и объемной штамповки, рассмотрены источники возможных ошибок при моделировании, представлены практические 
рекомендации по настройке параметров для наиболее эффективного расчета 
и другие вопросы моделирования операций обработки давлением МКЭ.

инженеру-технологу для эффективного использования численного моделирования МКЭ при проектировании технологических процессов ковки и 
объемной штамповки. 

В предлагаемом учебном пособии обобщены сведения, необходимые 

1. ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

1.1. Механизм и последствия пластической деформации 

Под действием внешних нагрузок изменяются форма и размеры заготовок — 
происходит их деформация. Процессы ковки и штамповки базируются на 
использовании пластических свойств металлов и сплавов. Пластичность — 
способность материала получать при приложении нагрузки остаточные деформации без разрушения и сохранять их после снятия нагрузки. Началу 
пластической деформации предшествует этап упругой деформации. После 
появления пластической деформации упругая деформация продолжает увеличиваться и исчезает после снятия внешней нагрузки (рис. 1.1). 
При решении технологических задач обработки давлением обычно 
используют феноменологический подход, при котором материал рассматривается как сплошная среда, а 
основными задачами являются 
определение энергосиловых характеристик технологического 
процесса и формоизменения  заготовки в процессе деформации. Механика пластических деформаций 
дает возможность количественно 
описать процесс пластической деформации металлов, разработать 
оптимальный технологический 
процесс, позволяющий получить 
необходимые форму и размеры 
детали при минимальных затратах. 
В то же время термомеханическое воздействие на заготовку 
в процессе ковки и штамповки 
приводит к изменению свойств 
металлов и сплавов, которое не 
удается предсказать с помощью 
методов механики. Таким образом, 
ограничиваются возможности целенаправленного изменения этих 
свойств, выявления причин некоторых видов брака.

Рис. 1.1. Осевое напряжение и деформация 
при одноосном растяжении с последующей 
разгрузкой:
1 — начало пластических деформаций; 2 — нагрузка; 3 — разгрузка; I — пластическая деформация; II — упругая деформация