Автор - Александр Лукашок, gidroexpert

Молот на 160 килограммов или пресс на 100 тонн? Вопрос звучит вполне по-деловому, пока не начинаешь сопоставлять цифры. У молота указана масса падающих частей, у пресса указано усилие. Напрямую перевести одно в другое нельзя. Но получить полезный ориентир для выбора можно, если посмотреть, какую работу машина совершает на заготовке.

Для небольшой кузницы у гидравлического пресса есть веский аргумент ещё до расчётов: он обжимает металл без удара падающей бабы. Это облегчает задачу размещения оборудования и даёт возможность точно дозировать обжатие. Молот привлекает высоким темпом ударов. Выбор зависит от того, какие поковки нужны и в каком помещении предстоит работать.

Молот разгоняет подвижную часть с верхним бойком. При встрече с горячим металлом её кинетическая энергия расходуется на деформацию, упругие колебания, нагрев и другие потери. Бывают молоты свободного падения, паровоздушные, пневматические и гидравлические. Название привода не меняет ударного принципа работы. В пневматическом молоте воздух участвует и в разгоне вниз, поэтому одной массы бабы для оценки энергии недостаточно.

Гидропресс работает через давление жидкости в цилиндре. Боёк подходит к заготовке, набирает усилие и выполняет обжатие. Здесь технолог задаёт режим нагружения и перемещения в пределах возможностей машины. Удобно остановиться на нужном размере, подержать нагрузку, изменить скорость рабочего хода.

Данные о первых гидравлических прессах, на которых осуществляли ковку приведены в обзоре 1892 года, о Haniel & Lueg - в публикации 1893 года.

У молота удар приходится принять всей установке. Поэтому у него есть шабот, а устройство основания и виброизоляции становится самостоятельной инженерной задачей. В традиционных решениях встречается деревянная, в том числе дубовая, подушка. Конкретное исполнение зависит от молота и проекта установки. Просто поставить такую машину туда, где освободилось место, обычно недостаточно.

У правильно настроенного гидропресса нет самого источника этого воздействия: разогнанная баба не сталкивается с заготовкой и наковальней. Нагрузка нарастает в ходе обжатия. Для здания и соседнего оборудования это существенно более мягкий режим. Отпадает характерная для молота задача погасить каждый удар массивным ударным фундаментом.

Для небольшой кузницы это может решить вопрос выбора. Пресс можно рассматривать для подходящего обычного производственного помещения, где раньше не было кузнечного молота. Сначала проверяют несущую способность пола, основание и анкеры, затем согласуют монтаж с изготовителем.

Точной цифры, во сколько раз пресс меньше нагружает здание, нет. Но практический вывод можно сделать и без неё: режим работы гидропресса по сравнению с молотом для мастерской точно лучше.

Для советских кузниц молот был привычной рабочей машиной. Быстрые повторные удары удобны при протяжке и отделке небольших поковок: кузнец поворачивает заготовку, меняет подачу и управляет силой удара.

Разделение задач видно в советских нормативах времени: отдельно рассматривается ковка на молотах, а для крупных поковок перечислены мощные гидравлические прессы. Это объясняет традицию малой кузницы, хотя само по себе не даёт статистики всего парка оборудования СССР. [12]

У прежних гидравлических приводов темп зависел от подачи насосов, быстродействия клапанов и времени переключений. На фоне частых ударов молота медленный рабочий ход выглядел проигрышно. Давление и усилие регулировали и тогда. Но с приходом быстрой автоматики и современных систем гидравлики программирование режимов стало доступнее. У прессов появилась повторяемость обжатия и быстрый короткий цикл.

Ещё одна причина любви к молотам - дань традициям. «Так деды работали, и мы так будем»… На действующем предприятии существует уже хорошо освоенный процесс: основание под молот, бойки, ремонтная база и опыт кузнеца. Замена требует затрат на переход на новую технологию и множество пробных ковок. Осторожность механика здесь понятна: новая машина должна показать, как она выполнит знакомую работу и сколько деталей даст за смену.

При этом фундаментальная советская школа гидравлической ковки имела серьёзную основу. НКМЗ в 1982 году запустило мощнейший автоматический гидравлический ковочный комплекс усилием 10 000 тс. А ГОСТ 7284 1988-го года охватывал прессы с верхним и нижним приводом. [2, 13]

Но к концу 1980-х работы по развитию отечественной ковочной гидравлики, к сожалению, стали сворачиваться. Для небольших кузниц это означало затянувшийся переход к более быстрым и управляемым прессам, тогда как за рубежом совершенствовали гидропривод и короткоходные режимы. Именно этот разрыв в обновлении оборудования помогает объяснить, почему молот так долго оставался привычным выбором на постсоветских предприятиях. Хотя за рубежом компания LASCO представила свой первый универсальный электрогидравлический пресс с возможностью ковки ещё в далёком 1952 году. [3]

Для сравнения возьмём пневматические молоты советской маркировки МА, китайские Anyang C41 и немецкие Kuhn и Bêché. Эти машины наиболее популярны в постсоветских странах.

Смотрим на три величины: массу падающих частей, энергию одного удара и частоту ударов. Они помогают сопоставить машины, но ещё не показывают, сколько готовых поковок получится за смену [11, 14…18].

Характеристики моделей пневмомолотов МА4129 (М4129А), МА4132, МА4134, МА4136, Anyang C41-75, Anyang C41-110, Anyang C41-150, Anyang C41-250, Anyang C41-400, Kuhn K-3, Kuhn K-4, Kuhn K-5, Kuhn K-6, Bêché L3, Bêché L4, Bêché L7

Сравните МА4132 и C41-150. Масса падающих частей близка: 160 и 150 кг. Энергия уже отличается заметнее: 3,1 и 2,5 кДж. Поэтому подбирать молот только по весу бабы было бы слишком грубо. Даже внутри одного размерного класса нужно смотреть паспорт конкретной модели.

Теперь посмотрим на прессы Коваль. Здесь в паспорте на первом месте стоит усилие, а для темпа работы важна скорость именно под нагрузкой. [19]

Характеристики моделей гидравлических ковочных прессов Коваль-63Н, Коваль-100Н, Коваль-160Н, Коваль-250Н.

Темп до 30 циклов в минуту относится к короткоходной микроковке. В таком режиме боёк каждый раз проходит только небольшой участок около заготовки. Полный ход цилиндра в 250 мм на каждом обжатии не используется.

Боёк быстро подходит на 3 мм, обжимает заготовку на 2 мм и возвращается на 5 мм, освобождая место для её перемещения. Ещё 0,25 с отводится на переключение гидравлики и изменение давления. Именно этот короткий цикл имеется в виду, когда в таблице указано «до 30 циклов/мин».

Чтобы выдержать такой темп, рабочая скорость должна быть не ниже 2 мм/с. Если выбрать 1 мм/с, только обжатие на 2 мм займёт две секунды, а расчётный предел с учётом остальных движений составит около 24 циклов в минуту. Фактический темп зависит также от подачи и поворота заготовки. [19]

Как связать килограммы у молота с тонна-силами у пресса? Ответ: Через работу, которую машина передаёт заготовке за одно воздействие.

Для молота энергию перед контактом можно записать знакомой формулой E = m·v² / 2. Изготовитель чаще всего прописывает энергию удара в паспортных характеристиках.

E = m·v² / 2

У пресса работа определяется усилием на всём пути обжатия. Сильнее прижали или глубже обжали, получили другую работу. Именно фактическое уменьшение высоты заготовки, а не полный ход цилиндра, нужно подставлять в сравнение.

Возьмём молот МА4132 с энергией удара 3,1 кДж и сопоставим один удар с одним обжатием пресса на 5 мм. Для наглядности допустим, что в полезную работу деформации переходит 80% энергии удара. Это условие примера. Реальная доля зависит от процесса и не является постоянным паспортным КПД любого молота. [7]

Связь между полезной энергией и средним усилием короткая:

A = η·E = Fср·s

Здесь A - это работа деформации, η - доля энергии удара, пошедшая на эту работу, s - обжатие. Для привычных кузнецу единиц получим:

Fср [тс] = 101,97·η·E [кДж] / s [мм]

Подставляем числа: полезная работа равна 0,8 × 3,1 = 2,48 кДж. На обжатии 5 мм ей соответствует среднее усилие около 50 тонна-сил.

Но среднего усилия для выбора недостаточно. Допустим, за эти 5 мм нагрузка линейно выросла от нуля до максимума. Тогда средняя нагрузка составляет половину максимальной, а расчётный пик получается около 101 тс. Это условие примера, которое дальше используем одинаково для всех машин.

Линейный рост от нуля выбран, чтобы расчёт можно было увидеть и проверить. Реальная заготовка может нагружать пресс совсем иначе. При широкой осадке значительное усилие возникает уже в начале деформации. На него влияют материал, температура, трение, форма и площадь контакта бойков. Поэтому отношение пика к среднему усилию строго говоря нельзя всегда принимать равным двум. [8]

Если поменять обжатие, численный эквивалент тоже изменится. Но увеличить ход в формуле проще, чем действительно продавить ту же поковку. После энергетического расчёта всё равно проверяют максимальное усилие на нужной операции.

На первой диаграмме работа одного удара сопоставлена с работой одного обжатия пресса. Высота каждой пары столбцов одинакова, потому что мы специально подбираем обжатие с той же полезной работой. Для МА4132 это 2,48 кДж, для остальных молотов значения другие. Такое равенство даёт ориентир по энергии, но ещё не доказывает, что машины одинаково справятся с конкретной поковкой.

Теперь посмотрим, как эти 2,48 кДж передаются во времени. У молота работа совершается за короткий удар. Пресс накапливает её в течение рабочего хода. Для примера возьмём Коваль-160Н, обжатие 5 мм и рабочую скорость 5 мм/с. На само обжатие понадобится одна секунда. При принятом линейном росте нагрузки усилие к концу хода достигнет 101,2 тс.

На рисунке для удара условно приняты 20 миллисекунд. Это не паспортная длительность удара МА4132. Кривая нужна, чтобы показать разницу во времени передачи одной и той же работы. Для пресса отдельно показаны подвод, переключение гидравлики, рабочее обжатие и возврат.

Когда боёк неподвижен, механическая работа в этом упрощённом расчёте не растёт, даже если давление сохраняется. Как только заготовка снова деформируется, работа увеличивается. Поэтому выдержку под давлением нельзя просто прибавить к обжатию как дополнительные джоули. Сравнивать затраты электричества и выработку за смену по этой диаграмме тоже нельзя: для этого нужны данные всего рабочего цикла. [20, 21]

Теперь можно дать рабочий ориентир. В таблице сохранены условия предыдущего расчёта. Она помогает выбрать модели для предметного разговора с технологом и изготовителем, после чего остаётся проверить конкретную поковку.

Числа рассчитаны без промежуточного округления. Рабочая скорость, температура, площадь контакта и время цикла проверяются отдельно. Условия расчёта: доля полезной энергии 0,8; обжатие 5 мм; нагрузка линейно растёт от нуля. Таблица помогает определить исходный диапазон усилия для дальнейшей проверки. Окончательный выбор делают по конкретной операции и пробной ковке.

При короткоходной ковке боёк делает небольшое обжатие и возвращается ровно настолько, чтобы можно было переместить заготовку. В серии «Коваль» этот режим называется микроковкой. Время экономится на холостом движении. Речь идёт о малых обжатиях обычной поковки, а не об изготовлении микроскопических деталей.

Сам принцип известен давно. В патенте Schloemann с приоритетом 1960 года описаны малые ходы при точной ковке и сокращение возврата. Для пресса PAHNKE 5 МН, запущенного в MEFOS в 1976 году, изготовитель сообщает о безударном движении при 100 ходах в минуту.

Но это документированные этапы развития, а не дата изобретения микроковки. [9, 10]

Нижняя компоновка тоже имеет давнюю инженерную основу. SMS group и сегодня предлагает прессы pull-down с цилиндрами под полом. Так уменьшают надпольную высоту и приближают гидропривод к цилиндрам. [6]

У прессов Коваль скорость до 30 коротких циклов в минуту, а молоты из таблицы бьют заметно чаще. Но для кузницы важнее, сколько обжатий понадобится на деталь, сколько времени займут повороты и подачи и придётся ли снова греть металл. В некоторых операциях пресс может выполнить ту же работу меньшим числом обжатий. Выигрыш в готовых поковках за час покажет пробная ковка.

Хотели бы посмотреть такое сравнение на одной детали? Если читателям интересно, мы снимем отдельное видео.

В этом классе заслуживает внимания компактная серия «Коваль» белорусского завода Гидропресса. Она включает четыре модели: 63, 100, 160 и 250 тс. Компоновка с нижним расположением гидроцилиндра для малых прессов выгодна по двум основаниям.

Нижнее расположение цилиндра помогает сделать надпольную часть компактной и держать центр масс ниже. Станину рассчитывают на рабочее усилие и жёсткость. Требования к массе и основанию определяются конструкцией конкретного пресса; отдельный ударный фундамент, характерный для молота, здесь обычно не нужен.

Для сохранения удобной рабочей высоты наковальни в 900 мм у моделей Коваль-160Н и Коваль-250Н предусмотрен небольшой приямок 400 мм.

Ещё один практический плюс связан с горячим металлом. При нижнем расположении цилиндра и защите трубопроводов кожухом проще отделить гидравлику от зоны окалины и раскалённой заготовки. Это снижает риск попадания масла на горячий металл. Герметичность, защита рукавов и соблюдение правил пожарной безопасности всё равно обязательны.

В конфигурации белорусских прессов используются система ЧПУ OMRON, сенсорный дисплей оператора и ковочные клапаны Bosch-Rexroth. Дисплей нужен для настройки и контроля предусмотренных режимов. Серводвигатель насоса позволяет согласовывать подачу с требуемым движением, а ковочные клапаны управляют быстрыми переключениями потоков при повторных обжатиях.

Полный ход составляет 250 мм. Рабочая скорость в зависимости от модели регулируется от 1 до 7 мм/с, быстрый подвод и возврат составляют 30 и 40 мм/с. При подборе важно смотреть, какую скорость пресс держит под нужной нагрузкой. Скорость холостого хода сама по себе не показывает, как быстро машина будет обжимать металл. [19]

Для разных поковок потребуется своя оснастка. В базовую комплектацию белорусского пресса Коваль входят один боёк, одна наковальня и две пары кузнечных клещей. У младших моделей приямок по каталогу не предусмотрен, у 160Н и 250Н нужен приямок глубиной 400 мм.

Возьмите несколько характерных деталей. Укажите материал, температуру ковки, размеры заготовки и готовой поковки, нужное обжатие и ширину бойка. Добавьте требуемое количество деталей за смену и сведения о помещении. По этим данным можно оценить усилие и цикл, подобрать нагрев, обсудить установку и назначить пробу.

Если кузницу предстоит разместить в подходящем существующем цехе, а в работе нужны повторяемый размер и дозированное обжатие, гидропресс стоит включить в подбор с самого начала. Его преимущества здесь легко проверить: на образце детали, в расчёте установки и по фактическому времени работы.

Для новой небольшой кузницы гидравлический пресс сегодня является мощной альтернативой пневматическому молоту. У него удобнее задавать усилие, скорость и глубину обжатия, сохранять настройки под конкретную деталь и возвращаться к ним в следующей партии. Для повторяемой работы это серьёзное преимущество.

Отдельный аргумент касается помещения. Пресс обжимает заготовку без ударов падающей бабы, поэтому на здание и соседнее оборудование не передаются характерные для молота повторные удары. Массивный ударный фундамент ему не требуется.

Сохранять молот прежде всего разумно там, где цех уже оснащён такими машинами, подготовлено основание, есть подходящие бойки и инструмент, а технология давно отработана. Если существующий процесс даёт нужные поковки с приемлемой себестоимостью, переход на пресс оценивают по результатам пробной ковки и затратам на переоснащение.

Мой вывод для малой кузницы: пневматический молот постепенно становится уходящим оборудованием. Ожидаю, что по мере обновления цехов гидравлические прессы будут всё шире заменять его, в том числе и в отечественной промышленности. Основания для такого прогноза вполне прагматичные: гибкие настройки, повторяемое обжатие и более простое размещение прессов.

[1] Паровой молот Нэсмита. Science Museum и гравюра 1854 года из коллекции Library of Congress. История молота; Гравюра

[2] ГОСТ 7284-88. Прессы гидравлические ковочные. Текст ГОСТ

[3] LASCO. История и ассортимент, корпоративная брошюра, раздел о 1952 годе. Брошюра

[4] Polytechnisches Journal, 1898, том 307, с. 127. Ковочный пресс A. Borsig, Berlin. Статья

[5] Такелажные работы по замене шабота. Сайт СООО Прессмаш

[6] SMS group. Open-die forging presses, компоновка pull-down. Ковочные прессы SMS

[7] Optimal energy distribution in hydraulic hammer forging for minimizing total energy and forging load, 2024. Зависимость эффективности удара от нагружения. Статья

[8] VSSUT. Theory of Metal Forming. Усилие осадки, площадь контакта и трение. Учебные материалы

[9] Schloemann AG. US3196647A, Control of hydraulic forging presses. Приоритет 21.07.1960. Патент

[10] WEPUKO PAHNKE. История предприятия и книга о развитии ковочного пресса, раздел MEFOS 1976 года. Хронология; Книга, страницы 28-29

[11] Прессмаш. Карточки молотов МА4129, МА4132, МА4134, МА4136. Сайт СООО Прессмаш

[12] Госкомтруд СССР. Общемашиностроительные нормативы времени на ковку на молотах и прессах. Текст нормативов

[13] Вестник НКМЗ от 13.03.2020. Крупнейший комплекс завода снова современный. Запуск комплекса в 1982 году. Газета изготовителя

[14] Anyang. Пневматические кузнечные молоты C41. Сайт Anyang

[15] Kuhn. Характеристики из каталога Centaur Forge 1990 года. Скан первичного каталога

[16] Bêché L3, 100 кг. Карточка машины HF04095

[17] Bêché L4, 150 кг. Карточка машины

[18] Bêché L7, 400 кг. Каталог б/е оборудования APT International.

[19] Коваль. Предоставленный изготовителем каталог «Коваль - каталог RU с дисплеем». www.gidropress.by

[20] OpenStax. University Physics, 7.1 Work

[21] OpenStax. University Physics, 7.4 Power