Инструмент для ковки: Ошибка 404. Страница не найдена — Объявления на сайте Авито

Оборудование и инструменты для ковки

Изготовление изделий с художественной ковкой представляет собой целое искусство. В процессе создания конструкции при помощи умелой работы мастера и основных инструментов металлу придается необходимая форма в соответствии с заранее разработанными эскизами. Существует две разновидности ковки металла: горячая (ручная) и холодная (машинная). Для каждой из них используется специальное оборудование.

Инструменты для горячей ковки металла

При горячей ковке металл предварительно разогревают, чтобы сделать его мягким и пластичным. В таком виде ему легче придать красивую эластичную форму. Базовыми инструментами в данном случае будут являться:

• молот,
• щипцы и клещи,
• горн,
• наковальня,
• бочка с водой для охлаждения металлических заготовок.

Необходимую форму изделию кузнец придает при помощи молотов. Они могут различаться по форме и весу. Чаще всего используют молоток с закругленным бойком — стальной головкой цилиндрической формы, либо тяжелую кувалду. Рукоятки этих инструментов обычно выполнены из дерева.

Следующий инструмент — клещи. Они служат для фиксации раскаленного железа и также имеют разнообразные формы и размеры. Прежде чем начать работу над определенным нестандартным изделием, мастер изготавливает для него специальные щипцы.

Для нагрева заготовок применяют кузнечный горн. Он состоит из топки для угля и рычага, который соединяется с мехами. Кузнец, поворачивая рычаг, подает в рабочую камеру воздух под давлением и разжигает огонь. Железные заготовки выкладываются поверх угля и быстро разогреваются. В настоящее время также существуют и другие устройства для нагрева металла, которые работают на нефтяном или газовом топливе. В кузницах над горном устанавливаются вытяжки, которые отводят дым и пыль, образующиеся в процессе обработки железа.

Практически все виды работ производятся на наковальне — стальной плите, которая чаще всего крепится на деревянной колоде. Она представляет собой твердый железный блок, который служит опорой для ковки металла. Коническая форма одной из сторон наковальни используется для сгибания заготовок. Эта конструкция для обработки железа считается самой прочной и устойчивой. Ее вес иногда достигает нескольких сотен килограммов.

От технической оснащенности кузницы зависит конечный вид изготавливаемых изделий. Использование механических молотов и гидравлических прессов позволяет ускорить производственный процесс, что позволяет создавать более сложные изделия.

Оборудование для холодной ковки

Холодная ковка — более современный вид обработки металла. В данном случае готовое изделие составляется из заготовок, которые вырезаются и загибаются при помощи специального оборудования. Оно подразделяется на станки и приспособления для сгибания металлических прутьев:

• Гнутик — основной инструмент холодной ковки, который позволяет сгибать железные бруски под определенным углом, или создавать дуги различных радиусов. На нем можно изготавливать различные элементы или все изделие полностью.
• Упрощенный гнутик служит для придания заготовке квадратной формы.
• Волна – оснастка с говорящим названием. Она придает изделию идеальную волнообразную форму.
• Улитка – это инструмент, который скручивает из металлического прутка спирали.
• Твистер – инструмент для накручивания металлического прутка вокруг оси.
• Фонарик – вид оснастки, который дает возможность получить элементы с переплетенными в особой комбинации железными прутьями.
• Объемник – оборудование, позволяющее изготавливать узоры объемного вида, загибать их под определенным углом и формировать квадрат.
• Шаблон – оснастка, служащая для сгибания квадрата или круга.

Это основной набор инструментов, который необходим для кузнечного ремесла. Многие мастера сами изготавливают себе некоторые приспособления. В качестве дополнительного оборудования используется ручной пресс. Он служит для изготовления элементов треугольной формы, или узора «гусиная лапка». В настоящее время для производства кованых изделий широко используются новейшие станки для обработки металла: кузнечно-прессовая машина для изготовления различных кованых элементов, плазменная и лазерная резка металла, а также гибочный станок.

Виды и назначение инструментов для художественной ковки

Оборудование для мастерских художественной ковки практически не отличается от приспособлений, применяемых в обычной кузнице. Основными устройствами являются наковальня и горн, доступ к которому должен быть обеспечен с трех сторон. Это особенно важно при изготовлении крупногабаритных изделий, их последующей укладке и выносе после нагревания.

Требования к кузнечным мастерским

Обязательное требование, предъявляемое к мастерским ручной художественной ковки — наличие хорошей вытяжки. Для данной цели может использоваться дополнительный дымоход, который будет способствовать выводу продуктов горения. Для поддержания тяги и предотвращения вероятности задымления многие мастера устанавливают в помещении вентилятор.

Наковальня надежно закрепляется на деревянной подушке или жестком чурбане. В первом случае она размещается в железной бочке, для заполнения которой может использоваться глина или песок. Для исключения риска расшатывания основание должно быть заглублено в пол. Для укрепления наковальни достаточно одного центрального шипа, расположенного снизу. Чтобы заглушить излишний шум, возникающий в процессе работы, можно уложить дополнительную прокладку, изготовленную из твердой резины. Если на поверхности подушки имеются неровности, ее необходимо выровнять.

Виды кузнечных инструментов

Важным элементом кузнечной оснастки является ручник. Его масса может варьироваться в пределах от 1 до 2,5 кг и подбирается с учетом физических данных кузнеца. Длина рукоятки должна составлять не менее 35 см.

При изготовлении более крупных изделий применяется кувалда, которую следует держать двумя руками. В процессе ковки она движется по скругленной траектории.

Для захвата нагретого материала используются клещи. Подобные инструменты состоят из двух соединенных между собой клещевин. В зависимости от формы губок они могут быть поперечными, продольными или продольно-поперечными.

Перечень оборудования, применяемых в мастерских художественной ковки, также включает в себя следующие приспособления:

• Формовочная и пробойная плита.
• Молоток для протяжки.
• Бородки.
• Подбойки для гладилки и высадки.

Лезвие кузнечного зубила может иметь различную толщину, которая подбирается с учетом особенностей обрабатываемого материала. Перед рубкой металла данный инструмент рекомендуется протирать смоченной в масле тряпкой. Это предотвратит вероятность схватывания с железом при ударах.

В крупных мастерских могут устанавливаться механические или пневматические молоты, значительно облегчающие работу кузнеца. Рукоятки инструментов должны изготавливаться из качественного дерева и быть тщательно обработаны во избежание травм.

Дополнительные приспособления

Для холодной ковки металла кузнецам необходимы дополнительные приспособления. К ним относится оборудование для разгонки, зернения, рифления и чеканки. При проведении тонких отделочных работ используются комплекты напильников, чеканочных штампов, резцов и шаберов.

В настоящее время метод горячей сварки для художественной ковки практически не применяется, поэтому в мастерских часто можно увидеть газовые сварочные аппараты. Пробивание отверстий в металлических заготовках осуществляется с помощью кузнечных бородок. Для окончательного выравнивания изделий с плоскими поверхностями используются гладилки.

Для придания поковке нужной формы могут применяться обжимки. Приспособления данного типа состоят из верхней и нижней части, причем оба конца имеют выемки. Это позволяет более быстро изготавливать изделия с заданными очертаниями.

Для выделки вогнутых поверхностей, желобков и вытяжки металла используются подбойки. Для изготовления головок у заклепок, гвоздей и болтов применяются одноместные или многоместные гвоздильни. Гнезда в них бывают шестигранными, прямоугольными или цилиндрическими. Стенки отверстий в таких приспособления имеют определенный уклон, что значительно облегчает удаление поковки.

Советы по эксплуатации

Все кузнечные инструменты должны быть правильно заточены. Перед началом работы следует проверить оборудование на предмет наличия вмятин, трещин, зарубов и других дефектов. Для очистки наковальни может использоваться металлическая щетка или скребок. В случае обнаружения неисправностей инструмент необходимо немедленно отремонтировать или заменить.

Инструмент для свободной ковки на молотах и прессах

оборудование для горячей ковки своими руками

Горячая ковка металла один из самых древних способов обработки металла. И надо отметить этот способ обработки металла не потерял актуальности до сих пор. Более того, можно смело утверждать, что горячая ковка переживает новое рождение.

Ручная горячая ковка

Причиной тому новое оборудование и методы обработки горячего металла, которые стали применять при работе с деталями.

Горячий метод ковки

Горячая ковка обеспечивает изготовление оригинальных и зачастую индивидуальных изделий. Металл необходимо разогреть до температуры порядка 1000 °C. При таких температурах, стальные заготовки теряют свою прочность, но зато приобретают повышенную пластичность и это позволяет мастерам кузнечного дела выполнять самые разные детали, которые затем применяют и в производстве, и в украшении интерьера.

Для выполнения горячей обработкой заготовки необходим следующий минимальный набор оборудования:

• печь;
• наковальня.

Наковальня для ковки металла

Муфельная печь

Кроме этого мастеру потребуется определенное количество инструмента и приспособлений – молотки, молоты, щипцы, прижимы и пр.

Процесс работы с горячим металлом

Процесс работы с горячим металлом можно условно разделить на следующие основные операции:

1. Разделение заготовки на части определенного размера.
2. Обработка заготовки с наружной поверхности, такую операцию называют прорубка.
3. Получение чернового варианта заготовки. Для этого мастер должен отсечь от нее лишний материал.
4. Вытяжка – это удлинение заготовки путем уменьшения ее поперечного сечения.
5. Пробой отверстий разной формы, для этой операции применяют специальный инструмент или отверстия уже проделанные в наковальне.
6. При необходимости мастер в состоянии придать заготовке необходимый изгиб. Эта операция может выполняться и с применением шаблона, и без него.

Мастер чеканки по металлу

Надо отметить это далеко не полный список операций, которые выполняет кузнец во время работы над деталью. В любом случае, завершающая операция – отделочная. То есть во время ее выполнения можно создавать надписи, рельеф и чеканку и пр.

Выбираем металл

Заготовки, которые подвергают горячей ковке металла, должны быть изготовлены из таких материалов, которые при определенной температуре получают высокую пластичность, при некотором снижении прочностных параметров.

Для получения изделий по технологии горячей ковки вполне допустимо применять такие металлы как стальные, алюминиевые, медные сплавы. Широко применяют латунь марки Л90, Л80 и пр. Наибольшей популярностью заслуженно пользуются такие материалы как сплав железа с углеродом. Этот сплав (сталь) обладает прочностью, которая возрастает по мере роста объема углерода. Но с другой стороны при насыщении его углеродом сталь может потерять пластичность и ковкость.

Титан

Внешний вид титановых сплавов

В середине ХХ века, перед производственниками встали задачи по обработке титана и его сплавов. Они были решены после того, как были разработаны технологии по горячей ковке и штамповке этого материала.

Какие для ковки нужны инструменты

Ключевыми инструментами, применяемыми при горячей ковке являются молот, щипцы и некоторые другие.

Инструменты для горячей ковки

Ковка заготовок выполненных из стали требует от мастера определенных навыков и знаний в части термической обработки металлов. Все дело в том, что если заготовки передержать в горне, то последующая ковка может привести к образованию некоторых дефектов, например, трещины.

Если нагрев произведен до строго определенной температуры, например, 1 000 °, то применение специального кузнечного инструмента позволяет выполнять контролируемое изменение размеров и формы металла.

Для достижения необходимой температуры заготовки применяют горн или муфельную печь. Для повышения ее эффективности некоторые мастера устанавливают системы дополнительной подачи воздуха.

Наковальня — ключевой инструмент

Наковальня, как правило, выполняется в заводских условиях, так как в домашних условиях практически невозможно обработать кусок стали марки 45Л весом от 70 до 250 кг. Именно такие наковальни выпускает отечественная промышленность. Для работы с небольшими заготовками применяют ж/д рельс марки Р65.

Кстати, конструкции наковален определены в серии ГОСТ.

Кроме описанного оборудования в кузне должен находиться набор инструмента, включающий в себя:

• молотки разной массы и формы бойка;
• клещи с разной длиной рукоятей и формы губ;
• различного вида прижимы и пр.

Надо учитывать и то, что процесс охлаждения чаще всего выполняют непосредственно в кузне, для этих целей в помещении мастерской устанавливают емкость с жидкостью для охлаждения разогретой заготовки.

Процесс охлаждения заготовки при горячей ковки

Емкость с жидкостью для охлаждения разогретой заготовки

Довольно часто в кузне можно встретить сварочный аппарат. На самом деле, сварку можно выполнить и с применением кувалды и при соблюдении определенных температурных режимов. Но это весьма трудоемкий и длительный процесс, поэтому многие мастера применяют традиционную электродуговую сварку. Другими словами, набор оборудования, который устанавливается в современной кузнечной мастерской, способен обеспечить полный производственный цикл, начиная от разработки эскиза и заканчивая сборкой готового изделия.

Достоинства и недостатки горячей ковки

Ковка металла, как впрочем, и любая другая технология обработки, обладает положительными и отрицательными свойствами. К первым можно смело отнести получение улученных механических свойств, особенно если сравнивать поковки с литьем.

Горячая ковка крупногабаритных изделий

Ковка позволяет обрабатывать заготовку с такими – габаритно-весовыми параметрами масса от 250 тонн, длина может быть от 10 метров и более.

При обработке разогретого металла в ручном или автоматическом режиме нет необходимости в прикладывании больших мускульных усилий.

Кузнечный труд может быть относительно легко автоматизирован и это приводит к снижению затрат на производство.

С другой стороны горячая ковка не самый производительный способ обработки металла. Кроме этого после такой обработки металла заготовка будет подвержена большому объему механических работ.

Горячая ковка металла своими руками

Действительно горячая ковка металла не самый сложный способ обработки деталей и при довольно небольших затратах можно организовать собственное кузнечное производство полного цикла.

В качестве сырья часто применяют пруты квадратного и круглого сечения, чушки и другие формы металла.

Так как кузнечный горн, довольно сложное и затратное оборудование, вместо него все чаще применяют муфельные печи. Они занимают меньшее количество производственной площади и вызывают  меньше хлопот по установке и обслуживанию. Устройства этого типа более качественно поддерживают заданную температуру, контроллер управления позволяет выставлять временные границы нагрева и определять его скорость.

Использование муфельных печей позволяет достичь ровного прогрева заготовок до нужного состояния.

Как уже выше отмечалось в качестве наковальни можно использовать кусок тяжелого рельса.

Инструмент для свободной ковки » Строительный портал

Хороший инструмент для свободной ковки увеличивает мастерство кузнеца. Иногда, между прочим, говорят, что хороший кузнец откует поковку при любом инструменте. Если в этом и есть доля правды, то только в том смысле, что даже при плохом инструменте делу может помочь высокое мастерство. Ho хороший кузнец и не станет ковать плохим инструментом.
Можно иногда и на одних только бойках отковать поковку. Ho сколько для этого потребуется лишнего труда и времени, сколько будет израсходовано металла! Это особенно хорошо понимали древнерусские кузнецы, которым из-за острого недостатка металла в России выдавали его строго по весу и за всякое превышение нормы расхода наказывали. Уже в то время кузнецы широко применяли разнообразные, искусно изготовленные ими же самими инструменты.
В современных условиях хорошая высокопроизводительная работа немыслима без применения инструмента и приспособлений. Чем выше мастерство кузнеца, тем более разнообразен и точен применяемый им инструмент и приспособления, тем, следовательно, выше производительность труда и ниже расход металла. Различают два вида инструмента общего назначения: основной и вспомогательный. При ручной ковке к основному инструменту относятся: наковальня, кувалда и ручник, при машинной — бойки. К вспомогательному относится инструмент для захвата, перемещения и вращения заготовок — клещи, патроны и др., а также измерительный инструмент.
Бойки. Они бывают двух видов: плоские и вырезные. Наиболее распространены два вида вырезных бойков — с фасонными закругленными вырезами и с простым вырезом углом. Плоские бойки имеют прямоугольную форму с закругленными кромками (фиг. 53). Бойки изготовляются коваными или литыми из стали марок 35 и 45. Рабочая плоскость бойка должна быть закалена. Нижний боек крепится в молотах с помощью клина, верхний — клином и шпонкой, которая препятствует смещению бойка от ударов. При установке бойков нужно следить, чтобы рабочие плоскости их были параллельными. Это обеспечивает большую точность ковки и безопасность в работе.
Перед началом работы рекомендуется подогревать бойки до 200—250°С. Это предупреждает образование трещин и преждевременное разрушение бойков.

Наковальня. Это — опорный инструмент при ручной ковке. Наковальня средних размеров имеет вес до 150 кг. Она отливается из стали, содержащей 0,3—0,5% углерода. Лицевая поверхность наковальни должна быть гладко прострогана и закалена. На фиг. 54 показана типовая наковальня. Она имеет рог, который служит для загибки заготовок по радиусу и квадратное отверстие для закрепления вспомогательного инструмента. С помощью костылей наковальня крепится к деревянному или бетонному основанию — стулу, который вкапывается в землю, причем высота рабочей плоскости наковальни должна быть на уровне 650—750 мм в зависимости от роста кузнеца.
Кувалда и ручник. Это — ударные инструменты, применяемые при ручной ковке (фиг. 55). Они изготовляются ковкой из углеродистой стали с содержанием углерода 0,6—0,7%. После ковки необходимо произвести отжиг, что предохраняет инструмент от разрушения при ударах. Кувалды бывают весом от 2 до 10 кг, ручники — от 0,5 до 2 кг. Рукоятки делаются из клена, березы или ясеня; для кувалды — длиной от 700 до 900 мм, для ручника — 350—500 мм. Ручники и кувалды укрепляются на рукоятках с помощью железных клиньев с насечкой (ерши).
Кувалдой работает молотобоец, а ручником — кузнец. Ручником производится ковка, когда требуются удары небольшой силы, а при ковке кувалдой кузнец ручником указывает место удара.

Клещи. В основном клещи применяются для удержания заготовки при ручной и молотовой ковке. Они отковываются из углеродистой стали, содержащей 0,3—0,4% С. Концы клещей — губки, которыми захватывается заготовка, бывают различной формы в зависимости от формы и размеров удерживаемой заготовки. Губки должны плотно прилегать к поверхности заготовки. Клещи должны пружинить, чтобы уменьшить отдачу на кузнеца от ударов молота. Длинные клещи лучше пружинят, чем короткие.
По форме и назначению клещи бывают продольные, поперечные, продольно-поперечные и специальные (фиг. 56). При ковке крупных поковок, а также при длительной работе на концы клещей для более надежного зажима надевается кольцо-шпандырь

Воротяжки. Назначение воротяжек — удерживание и поворачивание крупных заготовок квадратного профиля. Заготовка подвешивается на цепи, а на конец ее надеваются воротяжки в виде хомута с рукоятками (фиг. 57). Хомут состоит из двух скоб, стягиваемых болтами. Это позволяет применять воротяжки для заготовок различных размеров.
Измерительный инструмент служит для проверки размеров поковки в процессе изготовления и после окончательной отковки.
Кронциркуль. Применяется для измерения длин и диаметров. Он состоит из двух ножек, скрепленных шарнирно (фиг. 58, а). Когда нужно замерить внутренний диаметр, ножки разворачиваются так, чтобы их загнутые концы были обращены наружу. Замер, сделанный кронциркулем, переносится на металлическую линейку с делениями и этим устанавливается размер в мм. Применяются двойные и тройные циркули, которые позволяют одновременно снять два или три размера (фиг. 58, б). Небольшие и средние кронциркули делаются стальными, а крупные, для облегчения — из дюралюминия.
Линейки должны иметь деления и цифры, расположенные над делениями. Размеры горячих поковок проверяются с помощью так называемого усадочного метра. Это стальная линейка, которая больше обычного метра на 1,5%; соответственно все деления на ней больше на 1,5%. Такая линейка сразу показывает размеры, которые будет иметь поковка после остывания, когда произойдет тепловая усадка с уменьшением размеров примерно на 1,5%. При ковке крупных поковок пользуются линейкой, сделанной из углового профиля. На такой линейке мелом отмечается нужный размер, затем она прикладывается к поковке.
При ковке под прессами линейка укрепляется вертикально, а на траверсе устанавливается стрелка, которая указывает высоту между бойками, т. е. размер поковки в данный момент. Если при этом нижний боек вырезной, то при ковке крупных поковок для измерения диаметров пользуются кольцами из пруткового или полосового металла. Кольцо определенного размера устанавливается на нижний вырезной боек, а верхний, плоский боек плавно опускается до соприкосновения с кольцом. В этом положении замечают показание стрелки по линейке и соблюдают его при ковке.
Калибр. Это — стальная пластинка с прямоугольными калиброванными вырезами (фиг. 58, в). Калибр применяется для измерения толщины полос и листов, а также при изготовлении мелких стандартных поковок — болтов, гаек и т. п.
Угольники. Замеры углов при ковке производятся с помощью стальных угольников, которые изготовляются со стандартными углами 90, 60, 45 и 30° Углы разворота шеек коленчатых валов проверяют также с помощью проволочных шаблонов или специальных угломеров.
Шаблоны служат для проверки контуров поковок, имеющих сложную форму, как например, шатун. Шаблоны вырезаются из листовой стали толщиной 1—3 мм. Проверка формы и размеров поковки производится непосредственным прикладыванием к ней шаблона (фиг. 58, г).
Скобы применяются при изготовлении однотипных поковок. В плоской металлической скобе делается два выреза: один соответствует максимальному размеру, допустимому на поковке, другой — минимальному. Если проверяемый размер поковки свободно входит в большой вырез, но не проходит в меньший, то это значит, что данная часть поковки по размерам соответствует установленным допускам.
Остальные инструменты будут описаны при рассмотрении операций свободной ковки.

Инструменты для ковки специальные — Энциклопедия по машиностроению XXL

Закручиванием называется кузнечная операция, посредством которой одну часть заготовки поворачивают по отношению к другой под определённым углом вокруг общей оси. Закручивание применяется для получения поковок специальной формы (коленчатые валы с коленами, расположенными в различных плоскостях, стенные болты, стойки для изгородей, спиральные свёрла и др.). Инструментом для закручивания служат воротки (ручная ковка), вилки, люнеты. Операция закручивания сопровождается некоторым уменьшением длины исходной заготовки в зоне закручивания. При больших углах закручивания или при закручивании малопластичных металлов возможно появление продольных трещин.  [c.319]











Маневрирование ж.-д. транспорта сортировочных станциях К 7/00 управление стрелками L 17/00)> Манипулирование [заготовками или инструментами при ковке, прессовании или чеканке В 21 J 13/08-13/14 изделиями или материалами прокатными станами В 39/00-39/34) В 21 на конвейерах В 65 G 47/00 В 23 (в металлорежущих станках Q 7/00-7/18 при токарной обработке В 13/00-15/00) при нанесении покрытий В 05 С 13/00-13/02)]  [c.109]

Особенностью процесса ковки является использование универсального инструмента и универсального оборудования и получение поковок упрощенной формы. Особенностью процесса штамповки является применение универсального оборудования и специального инструмента -штампов для каждого вида заготовок, форма которых достаточно близка к готовому изделию. Универсальное оборудование для ковки и штамповки молоты горизонтальные, радиально-ковочные машины и прессы (гидравлические, фрикционные винтовые и кривошипные).  [c.400]

Специальный контрольно-измерительный инструмент для ручной ковки состоит из ряда кронциркулей, нутромеров, малок, предельных скоб, калибров-гребенок, шаблонов прутковых, профильных, контурных и др.  [c.72]

Если для получения поковки сложной конфигурации применяют все или почти все основные кузнечные операции с использованием не только универсального и кузнечного инструмента, но и специальных приспособлений и подкладных штампов, то такая ковка называется фасонной.  [c.99]

Оснасткой для ковки на кривошипных прессах являются раскатки, подкладные сменные бойки различных размеров, оправки, обжимки пружинного типа и другой подкладной инструмент, устанавливаемый на подштамповой плите в специальных блоках (сундуках).  [c.232]

Предельные скобы — специальный инструмент для контроля толщины поковок (рис. 207, г). Скобы применяют при 100%-ной проверке поковок или при замере толщины горячих поковок в процессе ковки.  [c.291]

Набор измерительного инструмента, укрепленный на плите и предназначенный для проверки литого специального двустороннего ключа после правки, показан на фиг. 152. Материал отливки — ковкий чугун. Все рабочие размеры ключа получаются в литье без механической обработки.  [c.375]

Полезно нормализовать габаритные размеры вставок. Это позволит создать для гнёзд и вставок специальный мерительный инструмент, а главное — иметь стандартные размеры заготовок для вставок, что значительно облегчит организацию их ковки, даст возможность пользоваться прокатом и вести обезличенную строжку заготовок со сдачей их на промежуточный склад.  [c.478]

Поэтому для инструментов с точными размерами нужно выбирать сталь с равномерным распределением карбидов. Такой тип стали получают с помощью специальной технологии деформации, подвергая ее многосторонней ковке.  [c.68]

Во избежание перерезывания волокон металла при обработке резанием необходимо, чтобы контур поковки Максимально соответствовал контуру детали. Количество уступов и выемок на поковке зависит от возможности их выполнения при ковке, а также от наличия соответствующего инструмента и количества однотипных поковок. Для небольшого числа поковок изготовление специального инструмента часто обходится дороже, чем потери металла на напуски н на увеличение объема механической обработки.  [c.475]

Размеры поковок в процессе ковки по переходам и готовых поковок контролируют с помощью универсальных (линеек, рулеток, кронциркулей, нутромеров и др.) и специальных измерительных инструментов. Поковки, изготовляемые повторяющимися партиями, контролируют шаблонами и скобами. Различают следующие шаблоны прутковые — для измерения общей длины поковок или заготовок профильные — для контроля размеров между уступами и расположения уступов в осевом направлении контурные — для проверки габаритных размеров и внешнего контура поковок сложной формы. Толщину горячих  [c.492]

Металлические детали машин, приборов и других изделий получают литьем жидкого металла в формы, обработкой давлением (прокаткой, ковкой, штамповкой), а также обработкой резанием. Процесс резания металлов заключается в снятии с заготовки определенного слоя металла для получения из нее детали необходимой формы и размеров с соответствующим качеством обработанных поверхностей. Резание металлов на заре развития техники осуществлялось простейшими ручными режущими инструментами. Некоторые из них, например слесарный напильник, граверный штихель, абразивный брусок, сохранились до наших дней и мало изменились. Постепенно, с развитием науки и техники, мускульная работа человека заменялась работой специальных машин — металлорежущих станков. Металлорежущий инструмент (орудие труда) — это часть металлорежущего станка, воздействующая в процессе резания непосредственно на заготовку, из которой должна быть получена готовая деталь. Доля обработки металлов резанием в машиностроении составляет около 30% и, следовательно, оказывает решающее влияние на темпы развития машиностроения. Процесс резания металлов, сопровождающийся деформациями сжатия, растяжения, сдвига, большим трением и тепловыделением, имеет свои закономерности, изучение которых необходимо для того, чтобы сделать этот процесс более производительным и экономичным.  [c.5]

При машинной ковке заготовки подают к молоту или прессу вручную или специальными машинами (манипуляторами, кранами и др.). Для облегчения труда по перемещению заготовки в процессе ковки применяют вспомогательный инструмент — патроны, вилки, клещи.  [c.272]

Печи этих типов используют для нагрева заготовок под ковку и штамповку при изготовлении хирургического инструмента, предметов бытового потребления и ряда специальных изделий небольших размеров. При этом получают поковки с гладкой и чистой поверхностью, с размерами и формой, весьма близкими к размерам и форме готовых деталей. Дальнейшая обработка изготовленных таким способом поковок сводится к полированию поверхностей.  [c.51]

При машинной ковке, как и при ручной, для контроля размеров исходных заготовок и готовых поковок, а также на отдельных операциях применяют универсальный и специальный измерительный инструмент.  [c.206]

Передовики кузнечного производства для изготовления поковок, близких по форме и размерам к готовым деталям, применяют специальный инструмент, в ряде случаев изготовленный самими кузнецами, что совершенствует и развивает технологию ковки. Рациональные способы изготовления поковок повышают производительность труда и обеспечивают гарантированный контроль точности при работе.  [c.246]

Ковка поковок должна производиться так, чтобы выполнялись все относительно большие выступы, впадины, отверстия. Несомненно, это зависит от веса и размеров паковки. И здесь кузнец должен сам определить, какие формы надо выполнить, а какие оставить для механической обработки. Многие сложные формы легче получить, применяя специальные формующие инструменты подкладные штампы, фигурные прошивки и т. д. Кузнец должен уметь ковать с малыми припусками, уметь изготовлять фигурные инструменты, знать приемы экономной ковки. Обо всем этом будет сказано в следующих главах этой книги.  [c.46]

Гидропрессовые установки. В процессе ковки под гидравлическим прессом применяют различные инструменты топоры, раскатки, наладки, прошивки, оправки и т. п., масса которых в зависимости от усилия пресса достигает 1000 кг и более. Для подачи инструмента в рабочую зону пресса применяют специальные рельсовые или стационарные манипуляторы.  [c.123]

По-прежнему перспективным остается технологическое направление на получение заготовок, максимально приближенных по форме и размерам к готовому инструменту. Примером удачного решения этого направления, осуществляемого с помощью специального оборудования, является рассмотренный в книге про-дольно-винтовой прокат сверл. В ближайшие годы получат развитие (преимущественно в массовом производстве) и другие методы, такие, как ротационная ковка зубьев разверток, скоростная объемная точная штамповка дисковых инструментов и др. Очень перспективным как для массового, так и для мелкосерийного производства является технология производства заготовок режущих инструментов методом точного литья.  [c.226]

Для получения изделий металлы обрабатывают давлением различными способами прокаткой, волочением, прессованием, ковкой и штамповкой. При этом внешнее усилие, необходимое для деформирования металла, передается специальным инструментом — валками, штампами, бойками, матрицами.  [c.189]

Обработка металлов кузнечным способом включает процессы свободной ковки, горячей и холодной штамповки. Для штамповки характерно применение специального инструмента — штампов. Свободной ковкой производят единичные или мелкосерийные поковки. Мелкие и средние поковки массой до 1 т изготавливают на молотах, более крупные — на прессах.  [c.319]

При механической обработке волокно поковки перерезается, я это снижает качество детали. Поэтому необходимо стремиться приблизить поковочный контур к контуру детали. Однако количество уступов и выемок на поковке определяется возможностью и удобством ковки, наличием соответствующего инструмента и количеством однотипных поковок. Для небольшого количества поковок изготовление специального инструмента при незначительном выигрыше в качестве обходится дороже, чем потери металла на напуски и увеличение объема механической обработки. Образование уступов, выемок.  [c.344]

Упрочнение 371, 372, 382 Инструменты для ковки специальные 63 —— для плаэовых разбивок — Технические характеристики 636—638  [c.442]

Ковка является единственно возможным способом изготовления тяжелых поковок (до 250 т) типа валов гидрогенераторов, турбин ных дисков, коленчатых валов судовых двигателей, валков прокат ных станов и т. д. Поковки меньшей массы (десятки и сотни кило граммов) можно изготовлять и ковкой, и штамповкой. Хотя штам повка имеет ряд преимуществ перед ковкой, в единичном и мелкосе рийном производствах ковка обычно экономически более целесооб разна. Объясняется это тем, что при ковке используют универсаль ный (годный для изготовления различных поковок) инструмент а изготовление специального инструмента (штампа) при небольшой партии одинаковых поковок экономически невыгодно. Исходными заготовками для ковки тяжелых крупных поковок служат слитки массой до 320 т. Поковки средней и малой массы изготовляют из блюмов и сортового проката квадратного, круглого или прямоуголь-ного сечений.  [c.70]

Кузнечный инструмент для ручной ковки и ковки на небольших молотах и прессах кузнечная бригада изготовляет собственными силами. Особенно это относится к единичному и мелкосерийному производству. Для крупносерийного и массового производства обычно весь кузнечный специальный инструмент изготовляют в штампово-ин струментальной мастерской цеха или завода.  [c.290]

Оформление технологической документации. В качестве технологической документации в мелкосерийной штамповке наиболее це.чесо-образно использовать общепринятые формы карт для маршрутных технологических процессов. Они могут служить и для оформления групповых технологических процессов, отличаясь только наличием графы, в которую вносят либо шифр сменного инструмента для поэлементной штамповки, либо шифр группового блока и сменного пакета для групповых специальных штампов 19]. При оформлении технологической документации следует руководствоваться ГОСТ 3.1402—71 Правила ск юр-млення документации на процессы раскроя и нарезания заготовок и ГОСТ 3.1403—71 Правила оформления документации на процессы ковки и штамповки .  [c.55]

Формы для литья цанка под давлением, специальные молотки для ковки сельскохозяйственвых кос и серпов, ковочные стержни я другой подобный инструмент  [c.82]

Стремясь максимально приблизить конфигурацию поковки к конфигурации детали, необходимо оценить возможность изготовления ковкой уступов и выемок. Ковка коротких уступов с небольшой высбтой выступа экономически нецелесообразна. При отсутствии специального инструмента выемки выполняются в том случае, если их длина равна или больше ширины бойков. Если размеры или выемки малы, на эти участки поковки назначаются напуски (рис. 5.12). Для небольшого числа поковок изготовление специаль-102  [c.102]

Изучению в первую очередь была подвергнута операция осадки, встречающаяся в том или ином виде во всех процессах ковки и объемной штамповки. Экспериментально было установлено, что вибрационная обработка способствует более равномерному распределению деформации и уменьшению поэтому макроскопической локализации деформации. Этот существенный результат позволил рекомендовать вибрационную обработку давлением для малопластичных труднодефор-мируемых материалов (стали, специальных сплавов), которые получили широкое распространение во многих областях. Особенно благоприятно применение вибрационной обработки давлением для технологических процессов формоизменения, где существенно сказывается вредное влияние контактного трения. При этом было установлено, что наиболее эффективным является вибрационный режим, обспечивающий отрыв контактных поверхностей инструмента и обрабатываемой заготовки в течение каждого импульса нагрузки.  [c.42]

Исключение ковки при изготовлении литого инструмента позволяет применять сплавы повышенной режущей способности (с увеличенным содержанием углерода, со значительными добавками бора, титана, азота). На заводе Horham Tool ompany (Детройт, США) для изготовления литого инструмента принят специальный сплав, занимающий среднее положение между быстрорежущей сталью и твёрдым сплавом. Химический состав этого сплава Мо —8″ /о, Со — 8 /о, Сг — 4о/о, V — 2о/о, В — Ю/о [8].  [c.242]

Ковкой получают поковки простой формы массой до 250 т с большими напусками. Применяя специальный инструмент, уменьшают напуски. Припуски и допуски на поковки, изготовляемые на молотах, от 521 мм до (34 + 10) мм, а на поковки, изготовляемые на прессах, от (10 + 3) мм до (80 30) мм для необрабатываемых участков предельные отклонения снижают на 25 — 50%. С применением подкладных штампов (закрытых и открытых) получают поковки массой до 150 кг (главным образом мелкие до 5 кг) с относительно сложной формой, без напусков припу-  [c.135]

Смазывание [F 04 (вакуумных насосов компрессоров (объемного вытеснения В роторных С 29/02) насосов и компрессоров необъемного вытеснения D 29/(04-06)) F 02 (газотурбинных установок С 7/06 цилиндров ДВС F 1/20) F 01 двигателей (под давлением М 1/00-1/28 окунанием или разбрызгиванием М 9/06 роторных С 21/04) паровых машин 8 31/10 турбин D 25/(18-22)) литейных форм В 22 D 11/12 В 61 канатов в канатных дорогах В 12/08 рельсов или реборд колес К 3/00-3/02) В 21 (при ковке или прессовании J 3/00 материала (при экструдировании С 23/32 при протягивании С 9/00-9/02) оправок в процессе прокатки В 25/04) колес В 60 В 19/08 В 65 конвейеров С 45/(00-02) нитевидных материалов при формовании паковок Н 71/00) В 27 В (ленточных 13/12 цепных 17/12) пил нагнетателей ДВС F 02 В 39/14 переносных инструментов ударного действия В 25 D 17/26 В 23 пильных полотен или круглых пил D 59/(00-04) фрез С 5/28) тросов, канатов и направляющих элементов подъемников В 66 В 7/12 форм для формования пластических материалов В 29 С 33/(60-63), 47/94] Смазочные масла [С 10 М используемъге волочении металлов В 21 С 9/00-9/02 для предотвращения прилипания пластмассовых изделий к формам В 29 С 33/(60-68) 45/83) (выбор и использование отдельных веществ в качестве смазочного материала для специальной аппаратуры или особых условий N 15/00 хранение 35/00) F 16 подогрев или охлаждение в двигателях F 01 М 5/00-5/04 устройства для разлива или переливания F 16 N 37/00, В 67 D 5/04] системы (двигателей F 01 М (1/06-1/28 замкнутые 1/12 с индикаторными или предохранительными устройствами 1/18-1/28 маслопроводы для них 11/02) локомотивов В 61 С 17/08) устройства F 16 N (конструктивные элементы 19/00-31/02)  [c.178]

В связи с отмеченцыми особенностями ковку малопластичных и труднодеформируемых с1 вов осуществляют при тщательном соблюдении механических и теплогах режимов. Для улучшения условий ковки (в частности, для уменьшения неравномерности деформации) применяют смазку инструмента или обмазку слитков специальными покрытиями, уменьшающими теплоотдачу от металла, снижающими контактные силы трения. Применяют высокий подогрев бойков до 500—600 °С вместо 250—350 °С. Ковку целесообразнее проводить на гидравлических прессах, так как ввиду малой скорости деформирования на прессах разупрочняющие процессы (возврат и  [c.431]

Другой инструмент, требующий слесарных операций или механической обработки, например прошивни, кольца для осадки, конусные оправки с точными размерами диаметров, бойки, подкладные штампы и специальный формующий инструмент, изготовляют сначала ковкой, а окончательно обрабатывают в инст-рументально-штамповой мастерской.  [c.290]

Рубка заготовок на прессах и заготовительных ножницах характеризуется предельно высокой производительностью. Однако назначение рубки должно производиться с большей осторожностью, чем это часто имеет место, так как во-первых, даже при малодеформационной рубке, с использованием специальных станков и приспособлений, неизбежно возникает смятие прилегающих к торцу участков периферии заготовок и самой плоскости торцов (рис. 3), что должно быть исправлено последующей обработкой, а это вызывает увеличение трудоемкости, часто упускаемое из виду. Во-вторых, многие быстрорежущие стали, в особенности — высокопроизводительные, при холодной рубке склонны к образованию трещин и расслоений, что вызывает необходимость в подогреве, резко осложняющем технологический процесс получения заготовок. Поэтому рубку рекомендуется применять лишь для изготовления заготовок под ковку и штамповку корпусов сборного инструмента и хвостовиков концевого инструмента под сварку.  [c.35]

Для подготовки технологического инструмента, необходимого для проведения плавки, в электрометаллургическом цехе имеется специальная мастерская, оборудованная горном для нагрева и пневматическим молотом для правки и очистки инсгруменга от шлака и металла, а также ковки проб.  [c.277]

При очень высоких скоростях резания (80ллш и выше), когда. температура режуш,ей кромки инструмента достигает 800° и выше, яриходится применять твердые сплавы. Общее направление легиро- .дания остается прежним использование карбидов хрома и вольфра- ма,. В качестве литых твердых сплавов применяются сплавы типа стеллитов, содержащие 20—30% хрома и 20—10% вольфрама. Роль основной массы в стеллитах играет кобальт (45—60%). Твердость стеллитов невысока (55—60 Яс), но благодаря специальным карбидам эта твердость сохраняется вплоть до температур 800—900°. Стеллиты обладают очень высокой износостойкостью, но весьма хрупки и применяются поэтому только для инструментов, работающих без ударов и толчков. Стеллиты не могут подвергаться ковке и поэтому применяются в виде литых пластинок, привариваемых к державке или наплавляются электрической дугой или кислородноацетиленовым пламенем.  [c.251]

Примерная планировка отделения для термической обработки разнообразного режущего инструмента (резцов, фрез, сверл), ка-либрово-режущего инструмента (протяжек) и небольшого размера штампов приведена на фиг. 140. Отделение размещается на продолжении четырех 12-метровых пролетов инструментального цеха. Заготовительные операции (ковка, напайка, наварка) и предварительная термическая обработка выделены в специальное отделение. Заготовительное отделение включает два ковочных молота 1 с нагревательными печами 2, щелевую печь 3 для наварки резцов с их последующей закалкой в баке 4, два контактных сварочных аппарата 5 с шахтными вентиляторными печами 6 типа ПН-31 Б для проведения изотермического отжига заготовок сразу после сварки и двух камерных печей 7 типа Н-30, Н-45.  [c.280]

На некоторых отечественных заводах были созданы и применены специальные приспособления, позволяющие частично устранить тяжелый ручной труд по манипулированию инструментом, однако вопросы механизации до конца не решены. В практике зарубежных прессовых цехов свободной ковки широко используются манипуляторы для инструмента. Эта машина очень эффективно используется совместно с ковочным манииулятором около одного пресса, чем повышается коэффициент использования кузнечного манипулятора, самого пресса, уменьшается количество членов бригады, сокращается цикл рубки и подобных операций.  [c.342]

Шта-аповка — это способ изготовления изделий давлением с помощью специального инструмента (штампов), рабочая полость которых определяет конфигурацию конечной штамповки (изделия). Штамповки по своим размерам, точности, допускалз и припускам значительно лучше аналогичных деталей, изготавливаемых свободной ковкой. Штампованные заготовки значительно приближены по форме и размерам к готовой детали. Специальные методы точной штамповки (высокоскоростная, штамповка в изотермических условиях и др.) позволяют изготавливать заготовки, подлежащие механической обработке только по сопрягаемым поверхностям. Процессы штамповки подразделяются на два вида объемная и листовая штамповка. При объелшой штамповке ггс-пользуют сортовую или профильную заготовку, при ЛР.СТОВОЙ штамповке заготовкой является металл в виде листа. Методами объемной шта ч1Повки изготавливают заготовки сложной конфигурации (шестерни, коленчатые валы, кронштейны, рычаги и другие детали для машиностроения). Для листовой штамповки характерно получение различных корпусных изделий (деталей обшивки и корпуса легковых и грузовых автомобилей, гнутых  [c.345]

Спецификация сложных С. SAE. Спецификация С. SAE пользуется большим распространением в США, и большая часть сложных С. изготовляется там согласно этой спецификации. Большинство сложных С. (80% всего количества), изготовляемых по этой спецификации, производится в основных мартеновских печах, остальная же часть гл. обр. электроплавкой. Спецификация SAE основана на определении химич. состава С. и кроме того ориентировочно в особых таблицах, помещенных в SAE Handbook, дает механич. свойства и твердость после закалки при различных i° отпуска, а также примерные рецепты термич. обработки и цементации. Спецификация содержит только перечисление разных сортов С., назначение их не стандартизировано, т. к. оно зависит от значительного количества факторов цены и возможности своевременного получения материала, деталей конструкции частей, условий службы, удобства ковки и штамповки, обработки режущим инструментом и других факторов технологич. процесса. С. по спецификации SAE обозначается номерами, к-рые ясно характеризуют ее состав. Первая цифра обозначает класс стали 1—углеродистая, 2—никелевая, 3—хромоникелевая, 4—молибденовая, 5—хромистая, 6—хромованадиевая, 7— вольфрамистая, 9—кремнемарганцовистая. В случае сложных С. вторая цифра обозначает округленный % примеси главного специального элемента. Последние две цифры показывают число сотых процента углерода. Все сложные сорта С. SAE приведены в табл. 7. Схематично конструкционные С. SAE можно разделить на три группы соответственно содержанию в них углерода. Содержание 0,15% углерода—С. для  [c.404]

кузнечных инструментов | Кузнечное дело Интернет-магазины

Не обманывайтесь дешевой доставкой. Более качественные кузнечные инструменты и лучшие цены — все в Blacksmiths Depot . Мы хотели бы быть вашим первым поставщиком кузнечного инструмента.

В 1995 году мы начали продавать новые кузнечные инструменты по всему миру. Но эта история намного старше, и ее можно прочитать на странице о нас.Мы использовали эти кузнечные инструменты за десятилетия до того, как начали их продавать. Мы знаем, как их использовать и из каких материалов они должны быть изготовлены, чтобы прослужить всю жизнь.

Мы продолжили поиск кузнечных инструментов и создали многие из них, чтобы справиться с растущим числом ситуаций, в которые попадают металлисты.

Если вы кузнец или художник-кузнец, кузнец или конный мастер, изготовитель ножей или кузнец, оружейник или ювелир, или просто тот, кто любит играть с металлом, у нас есть необходимые вам качественные инструменты и принадлежности … …….и хотите. А у нас гораздо больше.

Наковальни

Украшение любого кузнечного цеха. Если вы покупаете новую наковальню, хотите ли вы, чтобы она выглядела как новая в течение десятилетий или выродилась за короткое время? Зачем покупать новый, если он быстро станет выглядеть старым. Мы продаем прочные наковальни и постоянно тестируем другие марки, чтобы убедиться, что у нас есть отличные наковальни для продажи вам. Мы предлагаем высококачественные кованые и литые наковальни, изготовленные из сплавов, которые предназначены для неправильного использования наковальни.

Ковочные и специальные молотки

Возьми свой молоток… они у нас есть. Переместите материал в желаемом направлении. Все, что для этого нужно, — это владение молотом и качественный молот из Blacksmiths Depot. У нас есть молотки всех известных марок, а также наша собственная торговая марка. Handwerks Peddinghuas, MOB, Picard и многие другие. Прямое долбление, Поперечное долбление, Закругление, Обрезка, Репусс, Чеканка, Утопление, Вырубка, Подъем …………

Клещи

Если вы не можете удерживать его надежно, это может быть чрезвычайно опасно.Щипцы очень специфичны по форме и размеру, но у нас есть несколько более универсальных. Попробуйте наш собственный бренд, созданный в нашем собственном магазине, или попробуйте европейский бренд, такой как Peddinghaus Handwerk или Perun. У нас также есть литые, но при этом прочные и удобные щипцы эконом-класса. У нас есть щипцы, которые предназначены для удержания лезвий, плоских, круглых и квадратных стержней, а также многих других форм.

Пружинные зажимы и инструменты для текстуры

Итак, у вас есть работа с гораздо большим количеством элементов, чем вы привыкли, и вы не хотите сваривать детали, которые выглядят литыми.Сделайте это быстро с помощью одного из наших инструментов для весенней заработной платы или текстуры. Они не выкованы из поковок. Они выкованы из тщательно обработанных штампов из легированной стали. Каждый раз получайте из них поковки первого поколения.

Пуансоны и долота

Харди Инструменты

Книги и видео

Кузницы

Болты, винты и заклепки

различных видов кузнечного инструмента и оборудования

Типы кузнечных инструментов

Использование соответствующих кузнечных инструментов и оборудования обеспечивает безупречную кузнечную работу.Эту кузницу иногда называют подом, потому что в ней используется под в качестве источника нагрева металла для легкой деформации. Современное кузнечно-прессовое оборудование отличается высокой степенью автоматизации, изготовлено на высокотехнологичном оборудовании и значительно облегчило жизнь кузнецов. Типы кузнечного инструмента включают в себя наковальню, долото, ключ, долото, молоток, пресс, матрицу, плоскость, пробойник и выколотку, обжимной блок, зажимные тиски и под.

Печь или очаг : используется кузнецами для нагрева металлических изделий. Он состоит из четырех опор, чугунного или стального корпуса, чугунного днища, дымохода и воздуходувки.

Наковальня : это разновидности кузнечного инструмента. Может служить верстаком кузнеца. Это большая металлическая плита, обычно сделанная из стали. Наковальня используется для выполнения различных операций, таких как выравнивание металлических поверхностей и получение форм с помощью молотка. Некоторые наковальни содержат прочные дыры и дырки. Отверстие для выносливости служит квадратным стержнем для выносливых, а отверстие для перфорации обеспечивает зазор для пробивки отверстия в металле.

Наковальня

Долото : долото используется для резки и вырубки металла.Он изготовлен из высоколегированной стали с восьмиугольным поперечным сечением с конической режущей кромкой на одном конце. Долото, используемое при ковке, бывает двух типов: горячее и холодное долото. Горячее долото используется для горячей ковки, а холодное долото — для холодной ковки.

Зубец : этот тип кузнечного инструмента используется для транспортировки нагретого металла к опоре. Доступны клещи разных типов и конструкций, чтобы обеспечить надлежащий захват металлических форм и размеров.

Фуллер : фуллер помогает создавать канавки или углубления в процессе ковки.Его также используют для растяжения металла. Фуллер работает с грушами, помещая одну под металл, а другую сверху. Это позволяет одновременно производить вдавливание с обеих сторон металла.

Молот : молоток используется несколькими способами, в зависимости от типа ковки, которую необходимо выполнить, например, горячей штамповки, холодной штамповки, штамповки в закрытых штампах, штамповки с высадкой, штамповки и т. Д. получение форм на заготовках. Он используется в качестве ударных инструментов и может быть классифицирован как ударный молот и перфоратор.

• Отбойный молоток: тяжелый ударник падает на металл под действием силы тяжести. Используется силой руки кузнеца.
• Силовой молот: источник энергии — гидравлическая система, сжатый воздух или электричество для приведения в движение молота. Используется, когда требуется большое количество работ. Мощность работает, помещая заготовку на опору, уровень используется для контроля падения тяжелого плунжера на заготовку.

Клещи : кузнечные инструменты этого типа используются для удержания и токарной обработки горячих металлов.Доступны щипцы разных типов и размеров. Они классифицируются по захвату клещей.

Пробойник и выколотка : этот тип кузнечного инструмента изготовлен из высокоуглеродистой стали, которая помогает делать горячие отверстия на горячих металлических деталях. Этот кузнечный инструмент доступен в разных размерах и имеет общую форму. Выколотка — это пуансон большого размера, используемый для увеличения отверстий.

Flatter : этот ковочный инструмент используется для выравнивания поверхности заготовки.Он состоит из плоской грани, соединенной с прямым хвостовиком. Материалы флейты — высокоуглеродистая сталь.

Swage : это кузнечно-прессовое оборудование придает заготовкам различные формы. Он также изготовлен из высокоуглеродистой стали.

Пресс-блок : это кузнечно-прессовое оборудование изготовлено из чугуна или стального литья прямоугольного сечения с несколькими отверстиями. Отверстия бывают разных размеров и форм.

Молоток наборный : Молоток наборный — это кузнечный инструмент, используемый для обработки плоскости поверхности, формовки и изготовления углов.Этот инструмент для ковки имеет похожие формы с более плоским. Изготовлен из инструментальной стали. Перед использованием установленного молотка обрабатываемая деталь должна быть размещена на опоре.

Зажимные тиски : это кузнечное оборудование используется для удержания заготовки в кузнице. Он состоит из двух губок, пружины и плоского днища. Заготовки зажимаются между двумя губками и затягиваются, чтобы прочно удерживать их.

Bick iron : это кузнечно-прессовое оборудование изготовлено из инструментальной стали и закалено.С одной стороны у него заостренный хвост, а другая часть похожа на рог наковальни. Это кузнечное оборудование может работать и на наковальне за счет конического хвостовика.

Пресс : это кузнечное оборудование использует избыточное давление для придания металлу желаемой формы. На этом кузнечном оборудовании можно выковать сразу все изделие. Доступны прессы двух типов: ковочные механические и гидравлические.

• Механический штамповочный пресс: это механическое устройство, оснащенное двигателем, кривошипом, маховиком и т. Д.он легко прижимает плунжер к металлу. Это кузнечное оборудование не подходит для больших или сложных изделий, но оно полезно, когда требуются простые формообразующие эффекты.
• Гидравлический штамповочный пресс: операция выполняется с помощью жидкости под высоким давлением, приводимой в движение гидравлическими насосами, чтобы прижать поршень к металлу. Это кузнечное оборудование обеспечивает силу при ковке изделия. Он используется и предпочтителен, когда необходимо подделать большой или сложный предмет.

Кузнечные штампы : это кузнечное оборудование необходимо для правильного формования металла.Он служит формой, в которую запрессовывают ковкий металл. Плашки важны во всех кузнечных проектах; используется для крупных производственных и сложных работ. Плашки бывают двух типов: открытая и закрытая.

• Открытая матрица: открытая матрица не полностью покрывает металл, обеспечивая свободный поток везде, кроме того, что металл встречается с матрицей.
• Закрытая матрица: закрытая матрица полностью покрывает металл при ударе или прижатии к нему.

также проверяют: различные типы литейных инструментов и оборудования и различные виды ковочных операций

3.3.2 Затраты на оснастку | Ассоциация кузнечной промышленности

3.3.2 Затраты на инструмент

Стоимость подготовки инструмента, указанная фальсификаторами, как правило, включает стоимость проектирования и производства инструментов, используемых для производства поковок. Также сюда входит стоимость специальных приборов и приспособлений. Стоимость инструментов зависит от ряда факторов, наиболее важным из которых является процесс ковки.

Открытые штампы Поковки открытых штампов изготавливаются со стандартными «V», обжимными или плоскими штампами. Стоимость оснастки невелика.

Поковка штампа для слепка Стоимость инструмента обычно значительна. Он включает в себя один или несколько оттисков (преформа, блокировщик, финишер или другие оттиски), иногда валки для предварительной формовки, обрезные оттиски или оттиски для долбления и, как правило, матрицы для обрезки. Стоимость изготовления штампов для слепков определяется размером и сложностью поковки. Стоимость штампа обрезки зависит от размера поковки и сложности геометрии. Инструмент для прессования может значительно отличаться от инструмента для молотка из-за таких особенностей, как выбивные, съемники и стандартные держатели инструмента.

Износ штампа требует периодического обслуживания, повторной покраски и, в конечном итоге, замены штампа.

Износ штампа варьируется в зависимости от кованного сплава, причем более твердые сплавы вызывают более быстрый износ штампа. Эту тенденцию можно уменьшить путем надлежащей корректировки дизайна продукта.

Катаные кольца Стоимость оснастки, включая производство, обслуживание и замену катаных колец, невысока по сравнению с процессом штамповки. Затраты на инструмент для изготовления колец прямоугольного сечения практически отсутствуют.Однако фигурные ролики необходимы для катания колец, имеющих внутренние или внешние контуры. Валки для формовки внутренних контуров (оправка) стоят существенно дешевле валков для наружных контуров (основные валки). Для прокатки профильных колец также требуются матрицы для операции предварительного формования. Они менее дорогостоящие, чем те, которые используются для штамповки слепка, но должны быть признаны.

Холодная штамповка Стоимость оснастки для холодной штамповки обычно в пять-десять раз больше, чем для эквивалентной горячей штамповки, если также учитывать автоматизацию, которая обычно сопровождает процессы холодной штамповки.Но стойкость инструмента при холодной ковке намного выше. Во многих случаях используется последовательность операций, требующая нескольких штампов, поэтому количество обычно очень велико. Стоимость инструмента может быть уменьшена, если аналогичные детали могут иметь общие детали инструмента.

Вернуться к содержанию

множество (
‘#markup’ => ‘

3.3.2 Затраты на оснастку

Стоимость подготовки инструмента, указанная фальсификаторами, обычно включает стоимость проектирования и изготовления инструментов, используемых для изготовления поковок.Также сюда входит стоимость специальных приборов и приспособлений. Стоимость инструментов зависит от ряда факторов, наиболее важным из которых является процесс ковки.

Открытые штампы Поковки открытых штампов изготавливаются со стандартными «V», обжимными или плоскими штампами. Стоимость оснастки невелика.

Поковка штампа для слепка Стоимость инструмента обычно значительна. Он включает в себя один или несколько оттисков (преформа, блокировщик, финишер или другие оттиски), иногда валки для предварительной формовки, обрезные оттиски или оттиски для долбления и, как правило, матрицы для обрезки.Стоимость изготовления штампов для слепков определяется размером и сложностью поковки. Стоимость штампа обрезки зависит от размера поковки и сложности геометрии. Инструмент для прессования может значительно отличаться от инструмента для молотка из-за таких особенностей, как выбивные, съемники и стандартные держатели инструмента.

Износ штампа требует периодического обслуживания, повторной покраски и, в конечном итоге, замены штампа.

Износ штампа варьируется в зависимости от кованного сплава, причем более твердые сплавы вызывают более быстрый износ штампа.Эту тенденцию можно уменьшить путем надлежащей корректировки дизайна продукта.

Катаные кольца Стоимость оснастки, включая производство, обслуживание и замену катаных колец, невысока по сравнению с процессом штамповки. Затраты на инструмент для изготовления колец прямоугольного сечения практически отсутствуют. Однако фигурные ролики необходимы для катания колец, имеющих внутренние или внешние контуры. Валки для формовки внутренних контуров (оправка) стоят существенно дешевле валков для наружных контуров (основные валки).Для прокатки профильных колец также требуются матрицы для операции предварительного формования. Они менее дорогостоящие, чем те, которые используются для штамповки слепка, но должны быть признаны.

Холодная штамповка Стоимость оснастки для холодной штамповки обычно в пять-десять раз больше, чем для эквивалентной горячей штамповки, если также учитывать автоматизацию, которая обычно сопровождает процессы холодной штамповки. Но стойкость инструмента при холодной ковке намного выше. Во многих случаях используется последовательность операций, требующая нескольких штампов, поэтому количество обычно очень велико.Стоимость инструмента может быть уменьшена, если аналогичные детали могут иметь общие детали инструмента.

Вернуться к содержанию

‘,
‘#printed’ => правда,
‘#type’ => ‘разметка’,
‘#pre_render’ =>
множество (
0 => ‘drupal_pre_render_markup’,
1 => ‘ctools_dependent_pre_render’,
),
‘#children’ => ‘

3.3.2 Затраты на оснастку

Стоимость подготовки инструмента, указанная фальсификаторами, как правило, включает стоимость проектирования и изготовления инструментов, используемых для изготовления поковок.Также сюда входит стоимость специальных приборов и приспособлений. Стоимость инструментов зависит от ряда факторов, наиболее важным из которых является процесс ковки.

Открытые штампы Поковки открытых штампов изготавливаются со стандартными «V», обжимными или плоскими штампами. Стоимость оснастки невелика.

Поковка штампа для слепка Стоимость инструмента обычно значительна. Он включает в себя один или несколько оттисков (преформа, блокировщик, финишер или другие оттиски), иногда валки для предварительной формовки, обрезные оттиски или оттиски для долбления и, как правило, матрицы для обрезки.Стоимость изготовления штампов для слепков определяется размером и сложностью поковки. Стоимость штампа обрезки зависит от размера поковки и сложности геометрии. Инструмент для прессования может значительно отличаться от инструмента для молотка из-за таких особенностей, как выбивные, съемники и стандартные держатели инструмента.

Износ штампа требует периодического обслуживания, повторной покраски и, в конечном итоге, замены штампа.

Износ штампа варьируется в зависимости от кованного сплава, причем более твердые сплавы вызывают более быстрый износ штампа.Эту тенденцию можно уменьшить путем надлежащей корректировки дизайна продукта.

Катаные кольца Стоимость оснастки, включая производство, обслуживание и замену катаных колец, невысока по сравнению с процессом штамповки. Затраты на инструмент для изготовления колец прямоугольного сечения практически отсутствуют. Однако фигурные ролики необходимы для катания колец, имеющих внутренние или внешние контуры. Валки для формовки внутренних контуров (оправка) стоят существенно дешевле валков для наружных контуров (основные валки).Для прокатки профильных колец также требуются матрицы для операции предварительного формования. Они менее дорогостоящие, чем те, которые используются для штамповки слепка, но должны быть признаны.

Холодная штамповка Стоимость оснастки для холодной штамповки обычно в пять-десять раз больше, чем для эквивалентной горячей штамповки, если также учитывать автоматизацию, которая обычно сопровождает процессы холодной штамповки. Но стойкость инструмента при холодной ковке намного выше. Во многих случаях используется последовательность операций, требующая нескольких штампов, поэтому количество обычно очень велико.Стоимость инструмента может быть уменьшена, если аналогичные детали могут иметь общие детали инструмента.

Вернуться к содержанию

‘,
)

Новая конструкция кузнечного инструмента повышает эффективность | 2011-01-04

Новая конструкция инструмента и сборка штампа, разработанные в Германии, позволяют формировать поковки без заусенцев, почти чистой формы и протыкать заготовку одним движением.

В современном бизнесе эффективное использование ресурсов, оптимизация процессов и управление затратами являются ключевыми факторами конкуренции. Специалисты в области обработки металлов давлением знают, что давление конкуренции постоянно возрастает и что реализация этих конкурентных факторов имеет первостепенное значение для того, чтобы оставаться в бизнесе. Кроме того, это постоянное конкурентное давление вынуждает металлообрабатывающую промышленность интегрировать передовые производственные процессы в свои производственные циклы, чтобы снизить производственные затраты и оптимизировать эффективность производства и качество продукции.

Одним из способов улучшения операций по ковке, который помогает достичь этих ключевых конкурентных факторов, является сокращение рабочего времени и использования материалов в процессе ковки. Точная ковка без оплавления позволяет и то, и другое.Поскольку вспышки не происходит, необходимое количество сырья уменьшается. Сформованный продукт почти чистой формы исключает необходимость в обширной механической обработке. Кроме того, кованые детали с полостями, отверстиями или отверстиями часто подвергаются горячей штамповке и, во многих случаях, одновременно удаляются заусенцы на втором этапе процесса. Этот второй этап увеличивает время обработки и обработки, а также стоимость производства, поскольку для процесса штамповки требуется дополнительный инструмент.

За счет использования комбинированного процесса формовки и штамповки детали можно формовать без заусенцев и штамповать за один ход.Это приводит к сокращению как времени обработки, так и производственных затрат, поскольку не требуется дополнительный инструмент. Используя комбинированный процесс прецизионного формования и штамповки, можно достичь высокого качества поверхности сквозных отверстий, что позволяет отказаться от дополнительных этапов чистовой обработки. Комбинированный процесс штамповки и штамповки применим к осесимметричным деталям, а также деталям с четкой продольной осью.

Комбинированные процессы формовки и штамповки с прошивкой

Концепция инструмента для комбинированного процесса штамповки и штамповки без заусенцев была разработана для осесимметричных деталей в немецком Institut für Integrierte Produktion Hannover gGmbH (IPH) при поддержке Немецкого исследовательского фонда (GRF).GRF изначально профинансировал проект в 2005 году, который изучал «комбинированные процессы формовки и штамповки», за которым последовало исследование, завершенное в 2009 году, в котором первоначальная концепция была адаптирована для использования на деталях с продольной осью.

Матрица в сборе (примерно 21 дюйм в длину, 27,5 дюймов в глубину и 28 дюймов в высоту) предназначена для установки в стандартный ковочный пресс. Для этих испытаний использовался винтовой пресс Müller Weingarten PSH 265. Инструмент состоит из верхнего штампа, верхнего штампа (комбинированного штампа для штамповки и штамповки), газонаполненных пружин, нижнего штампа, нижнего штампа и механизма разблокировки (Рисунок 1).Марка стали для использования в инструменте была указана как 1,2365 (32CrMoV12-28), а для деталей — 1,7131 (16MnCr5).

Во время закрытия верхнего и нижнего штампов выполняется первая операция штамповки металла без заусенцев. Затем верхний пуансон начинает двигаться, а нижний пуансон остается неподвижным. Газонаполненные пружинные устройства удерживают инструментальный узел в закрытом состоянии. Как только полость матрицы заполняется, внутреннее давление матрицы быстро увеличивается. Как только сила по умолчанию для нижнего пуансона превышена, движение пуансона вниз активируется с помощью механизма разблокировки.Остаточный материал, или «полотно», которое остается в поперечном сечении верхнего пуансона, толкается вниз верхним пуансоном, который перемещается до тех пор, пока заготовка не будет полностью пробита. На этом деталь завершена (рисунок 2).

Во время хода поршня вверх пружины ослабляют натяжение, но удерживают верхнюю матрицу и кованую деталь на месте, когда верхний пуансон поднимается и вытягивается из поковки. Только когда он достигнет своего исходного положения относительно верхнего штампа, штампы откроются и позволят удалить заготовку.Одновременно необходимо следить за тем, чтобы нижний пуансон оставался на месте до тех пор, пока узел инструмента не откроется и не будет удалена заготовка. Это предотвращает попадание полотна обратно в кованую деталь.

Спусковой механизм обеспечивает полное заполнение полости матрицы. Он высвобождает нижний пуансон с силой, которая определяется возрастающим внутренним давлением в матрице после полного заполнения полости матрицы. Он состоит из двух резцов и переменного количества штифтов, которые режут резцами.

Моделирование

Проектирование этой последовательности ковки было облегчено программами моделирования потока материалов с использованием методов анализа конечных элементов (FEA). Целью моделирования было доказать, что инструмент может противостоять возникающим и повторяющимся напряжениям в процессе ковки, и показать степень деформации детали.

Были смоделированы две разные модели процесса формовки. В первой модели закрытие штампов происходит без деформации детали.Вся формовка детали и пробивка производится верхним пуансоном. Во второй модели закрытие штампов запускает операцию штамповки металла без оплавления. Затем процесс формовки и прошивки завершается верхним пуансоном.

Моделирование для первой модели предсказало, что максимальное напряжение в штампе в сборе составит не более 3500 Н / мм ² (507 500 фунтов / дюйм ² ), которое возникает в головке детали. Однако предел текучести инструментальной стали для горячей обработки составляет около 790 Н / мм ² (114550 фунтов / дюйм ² ).Эти результаты делают невозможным формирование детали за один этап ковки.

Вторая модель включала безупаковую деформацию заготовки при закрытии штампов. Эта операция значительно снижает возникающие напряжения. Напряжения снижаются до максимального значения 520 Н / мм ² (75 400 фунтов / дюйм ² ), в то время как верхний пуансон перемещается вниз и завершает процесс формовки и прошивки. Во время движения пуансона газонаполненные пружины удерживают верхний и нижний штампы на месте.

Износ штамповочных и пробивных штампов в основном определяется термомеханическими напряжениями. Это напряжение можно уменьшить, изменив геометрию пуансона.

Оценки испытаний

Первоначально параметры процесса, такие как материал заготовки и инструмента, а также температура формования, оставались постоянными. На втором этапе проекта была изменена только геометрия верхнего пуансона.

Рабочая температура детали была зафиксирована на уровне 1200 ° C.Материал заготовки был определен как 1,7131, а материал инструмента — как TiB ₂ с покрытием 1,2365. Температура ковки инструмента была установлена ​​на уровне 110 ° C. Температуру контролировали пирометром и термографической камерой.

Чтобы определить влияние геометрии пуансона, были протестированы четыре различных геометрии режущей кромки. Для каждой геометрии пуансона было выковано 15 деталей для статистической оценки. Затем на деталях была проведена комбинация различных испытаний, чтобы доказать осуществимость процесса комбинирования:

• шероховатость поверхности
• стабильность размеров
• твердость
• ориентация зерен
• микроструктура

Измерения твердости кованых деталей проводились с помощью твердомера CV 6000MA от CV Instruments.Была применена операция Роквелла (DIN EN ISO 508-1, шкала твердости B). Измерение твердости проводилось в четырех позициях на каждой кованой детали — трех позициях возле прошивки и одной позиции на конце детали — для определения возможного влияния комбинированного процесса на твердость кованых деталей. Необработанные детали имеют твердость 86 HRB. Средняя стоимость кованых деталей составляет 94-97 HRB (Рисунок 3).

Вывод

Возможность комбинированного процесса штамповки и штамповки для производства деталей почти чистой формы была успешно продемонстрирована в рамках двух исследовательских проектов.Кроме того, было продемонстрировано, что кованая и прошитая деталь может быть сформирована за одну операцию. Исследования проводились только с одним ударом. Из-за сложной природы существующих деталей (например, цапф оси) метод следует расширить, чтобы изучить возможность использования нескольких штампов.

Возможность для дальнейших исследований — это серийная эксплуатация концепции инструмента, например, изучение спектра промышленного применения инструмента для быстродействующих горизонтальных прессов. Детали большого объема, такие как шестерни, производимые на быстрых горизонтальных прессах, были бы хорошим объектом для дальнейших исследований.Концепция инструмента должна быть изменена с учетом ее применимости для горизонтальных прессов.

Авторы выражают благодарность Немецкому исследовательскому фонду за финансовую поддержку проекта, описанного в этой статье. Дипл. Инж. С Джудит Керкелинг можно связаться по тел .: +49 511 — 27976-375, [email protected]; Дипл.-Wirt.-Ing. Карстен Мюллер по тел .: +49 511-27976-335, [email protected]; Д-р инж. Dipl.-Oec. Rouven Nickel по тел .: +49 511-27976-119, nickel @ iph-hannover.де; и проф. д-р инж. Б.-А. Беренса, тел .: +49 511-27976-300, [email protected]

Кованая углеродистая, легированная и инструментальная сталь

Инвентаризация углеродистой, легированной и инструментальной стали

Scot Forge имеет инвентарь различных марок, которые клиенты могут заказать для своих нужд и спецификаций в поковках из углеродистых сплавов и инструментальной стали:

Характеристики кованой углеродистой, легированной и инструментальной стали

Углеродистая сталь

Прокаливаемость углеродистой стали ограничена, поскольку в материале используется только углерод.Многие марки углеродистой стали подвергаются закалке с помощью термической обработки, которая включает этапы закалки и отпуска; однако сверхвысокая прочность нержавеющей стали не может быть достигнута с помощью углеродистой стали.

Легированная сталь

Добавление легирующих элементов — Марганец, хром, никель и молибден являются одними из элементов, используемых для повышения прочности, ударной вязкости и износостойкости по сравнению с углеродистой сталью. Другие желательные характеристики, такие как коррозионная стойкость, прочность при повышенных температурах и сопротивление ползучести, также достигаются за счет добавления легирующих элементов.

Инструментальная сталь

Основными легирующими элементами в инструментальной стали являются хром, молибден, ванадий и вольфрам. Эти твердосплавные формирователи позволяют инструментальной стали противостоять деформации и сохранять острую режущую кромку при высоких температурах.

Гарантия качества

Scot Forge гордится сертификатами ISO 9001: 2015 и AS9100D, и наша команда стремится обеспечить высочайшее удовлетворение потребностей клиентов. Дальнейшее развитие аэрокосмической продукции привело к аккредитации NADCAP в области термической обработки и неразрушающего контроля титановых материалов.

Каждый клиент Scot Forge работает с квалифицированной командой, которая будет вести каждую поковку из углеродистой и инструментальной стали от запроса до размещения заказа, производства, затем проверки и отгрузки.

Инструменты подделки для уточнения предсказанных структур белков

Значимость

Структурная биология значительно выиграет от наличия чисто вычислительных средств получения структурных моделей белков, которые по точности конкурируют с моделями, основанными на экспериментах по дифракции рентгеновских лучей.Структуры с промежуточным разрешением с точностью, которая на несколько ангстрем выше экспериментальной неопределенности, приписываемой рентгеновским структурам, теперь могут быть созданы в обычном порядке. Здесь мы черпаем вдохновение в кузнечном деле, чтобы помочь нам разработать методы, которые могут улучшить модели с промежуточным разрешением до экспериментальной точности, используя лишь скромные вычислительные ресурсы. Подобно кузнецам, мы используем механические деформации в коллективных режимах, чтобы способствовать уравновешиванию. Мы обнаружили, что уточнению препятствует медленное вращение объемных боковых цепей внутри белка, и что снижение этих барьеров во время отбора проб по модам деформации дополнительно помогает уточнить предсказанные структуры.

Abstract

Уточнение предсказанных структур белков с помощью моделирования молекулярной динамики всего атома — это один из способов создания полностью с помощью вычислительных средств структурных моделей белков, которые по качеству не уступают моделям, определенным с помощью экспериментов по дифракции рентгеновских лучей. Однако медленные перестройки в компактном сложенном состоянии делают невозможным рутинное уточнение предсказанных структур с помощью неограниченного моделирования. В этой работе мы черпаем вдохновение из областей металлургии и кузнечного дела, где практикующие разработали практические способы управления уравновешиванием путем механической деформации своих образцов.Мы описываем двухэтапную процедуру уточнения, которая включает определение коллективных переменных для механических деформаций с использованием крупнозернистой модели, а затем выборку по этим модам деформации в моделировании всего атома. Выявление тех низкочастотных коллективных мод, которые больше всего изменяют карту контактов, оказывается эффективной стратегией для выбора, какие деформации использовать для выборки. Метод протестирован на 20 объектах уточнения из конкурса CASP12, и было обнаружено, что он вызывает большие структурные перестройки, которые приближают структуры к экспериментально определенным структурам во время относительно коротких полностью атомных симуляций продолжительностью 50 нс.Изучая точность состояний ротамера боковой цепи в субансамблях структур, которые имеют разную степень сходства с экспериментальной структурой, мы определили переориентацию ароматических боковых цепей как шаг, который остается медленным даже при поощрении глобальных механических деформаций во всех атомах. симуляции. Обнаружено, что уменьшение барьеров изомеризации ротамера боковой цепи в силовом поле, состоящем из всех атомов, способствует дальнейшему ускорению очистки.

Вычислительная структурная биология очень похожа на металлургию.В основе обеих областей лежит способность неупорядоченных систем многих тел спонтанно формировать упорядоченные структуры, движимые направленными потоками ландшафтов свободной энергии. В структурной биологии эта способность называется «сворачиванием», а в металлургии — «кристаллизацией». Однако для практических мастеров в обеих областях недостаточно понимания термодинамики, и важно понимать временные рамки изменений. Металлурги и их предки, кузнецы, используют тот факт, что на больших масштабах длины равновесие не достигается быстро в системе многих тел.Они используют этот неравновесный аспект для управления образованием надстроек, необходимых для прочности и гибкости готовой продукции. Напротив, более мелкие биологические структуры, белки, по крайней мере, in vivo, как правило, имеют достаточно времени, чтобы получить доступ к своим ансамблям с наименьшей свободной энергией. Тем не менее, в то время как равновесие почти царит in vivo, вычислительные структурные биологи в настоящее время ограничены в количестве компьютерного времени, которое они могут использовать для доступа к конфигурациям белков с наименьшей свободной энергией.Это ограничивает нашу способность предсказывать трехмерные структуры белков с помощью моделирования. Однако различные стратегии приносят свои плоды в поисках предсказания трехмерных структур на основе последовательности. Вначале эти стратегии не пытаются рабски моделировать реальную молекулярную динамику белков на уровне детализации всех атомов, а используют несколько уловок: аналогии с известными белковыми структурами (1⇓ – 3), нейронными сетями и другими типами. машинного обучения (4⇓⇓⇓⇓ – 9), эволюционного анализа (10, 11) и крупнозернистого моделирования с использованием сокращенных описаний третичной структуры белка (12, 13) для получения начальных прогнозов.Эти методы приобрели большую силу за последние десятилетия, о чем свидетельствует серия экспериментов CASP, направленных на мониторинг прогресса сообщества в предсказании структуры белка (14). Для белковых ансамблей умеренного размера эти усилия теперь делают определение предсказанной структуры с умеренным разрешением с помощью вычислительных средств жизнеспособным. Однако после того, как станет доступной структура с умеренным разрешением, можно будет надеяться на достижение структурного разрешения, сравнимого с тем, что может быть достигнуто с помощью определения структуры на основе дифракции рентгеновских лучей.Широко распространено мнение, что такое высокое разрешение является предпосылкой для решения многих практических задач, таких как создание лекарств. Однако привлекательно то, что предсказанные структуры с умеренным разрешением уже оказались полезными для понимания многих вопросов о биологических механизмах и при разработке новых лабораторных экспериментов (15, 16).

При попытке уточнить прогнозы умеренного разрешения для структурных моделей, сравнимых по разрешению с теми, которые определены экспериментально, проблемы временного масштаба, знакомые металлургу, теперь появляются с удвоенной силой.В то время как микросекундные расчеты молекулярной динамики теперь возможны для более мелких белков, такое моделирование становится все более трудным для более крупных систем и становится более дорогим. Естественные временные рамки для уравновешивания биомолекулярных систем удлиняются с увеличением размера — в конечном итоге даже in vivo: на уровне цитоскелета структура фактически определяется процессами, далекими от равновесия (17, 18). Как можно преодолеть это несоответствие масштабов времени между физическим и практическим, которое растет по мере увеличения размеров систем, чтобы позволить вычислительные структурные исследования более крупных систем? В этой статье мы предлагаем использовать идеи, вдохновленные мудростью и мастерством кузнецов.Кузнецы не ограничивают способы обработки металлов пассивным нагревом и охлаждением. Наиболее крупномасштабные конструкции в металлообработке определяются не только термическим равновесием (отжигом), но и создаются путем механической деформации металла и чередования такой деформации с нагревом и охлаждением. В том же духе для белков мы должны найти лучшие способы не только термически отжечь их пассивным способом, но и механически деформировать изначально предсказанные структуры, чтобы получить доступ к соответствующим частям фазового пространства в моделировании всего атома.Затем мы можем использовать выборку по важности, чтобы исследовать термодинамику субансамблей, чтобы идентифицировать аборигенный ансамбль. Чтобы разработать схемы для принудительного уравновешивания, полезно знать, почему определенные биомолекулярные движения являются медленными. Некоторые движения являются медленными просто потому, что они связаны с одновременным коллективным движением множества частиц. Эти крупномасштабные мягкие движения являются одними из самых медленных для уравновешивания. Они примерно соответствуют низкочастотным нормальным режимам белка, но, конечно, динамика белка ангармонична. Такие режимы могут быть найдены с хорошим приближением из крупнозернистых моделей (19, 20).Эти крупномасштабные деформации часто дополнительно замедляются из-за необходимости того, чтобы часть молекулы «трескалась», то есть локально разворачивалась, чтобы приспособиться к крупномасштабным механическим изменениям (21, 22). Кроме того, как и трение твердого тела о твердое тело, мелкие неровности в нижней части энергетического ландшафта из-за необходимости надлежащего вращения громоздких скрытых боковых цепей могут привести к переходам, которые в лаборатории могут длиться всего несколько секунд (23, 24). Эти движения медленные отчасти из-за высокой плотности внутренней части белков, но, возможно, также из-за связи между движениями боковых цепей, которые могут приводить к стекловидному поведению (25, 26).

Эти идеи о том, почему коллективные движения белков так медленны, вдохновляют инструменты уточнения, которые мы разрабатываем в этой статье. Подход, который мы исследуем, состоит из нескольких этапов. Сначала мы находим кандидатов в медленные режимы путем анализа главных компонент моделирования равновесия с использованием довольно точной крупномасштабной модели. Затем мы выделяем те режимы, которые приводят к наибольшему взлому, то есть те режимы, которые изменяют карту контактов. Поскольку стабилизирующие контакты должны быть разрушены, эти растрескивающие движения, вероятно, будут самыми медленными и, таким образом, ограничивают стандартное улучшение.Затем мы используем выбранные режимы, чтобы охарактеризовать термически доступные ансамбли в моделировании всего атома, используя для них выборку по важности. Мы обнаружили, что даже при явной выборке выбранных крупномасштабных коллективных движений мелкозернистое уравновешивание все же может быть медленным. По-видимому, эта остаточная медленность связана с вращением боковых цепей. Мы обнаружили, что эти заключительные «стадии полировки» могут быть катализированы снижением барьеров двугранного вращения боковых цепей, что позволяет проводить дальнейшее уточнение.

В этой статье мы исследуем эти инструменты и покажем, как их можно использовать для уточнения предсказанных структур, найденных в CASP12, которые обсуждались в других недавних работах по проблеме уточнения (27).Мы показываем, что с помощью очень скромных вычислительных ресурсов можно добиться значительного улучшения структурной точности. Мы также показываем, что не только окончательные единичные прогнозы улучшаются, но и структурные ансамбли, полученные с помощью выборки молекулярной динамики, начиная с уточненных прогнозов, очень близки к ансамблям, которые получаются, если использовать экспериментальную кристаллическую структуру в качестве отправной точки.

Результаты

Обзор уточнения структуры на основе основных компонентов целей CASP12.

Всего 20 целей уточнения были подвергнуты уточнению, руководствуясь основными компонентами, обнаруженными в крупномасштабном моделировании с использованием модели ассоциативной памяти, опосредованной водой, структуры и энергии (AWSEM). Все исходные структурные модели были взяты из представленных в категории уточнения конкурса CASP12 (28). Рис. 1 и 2 и в таблице 1 представлены сводные данные о производительности настоящего протокола уточнения, а также о производительности двух наиболее эффективных команд из тех, которые участвовали в CASP12 (29, 30).Уточнение, управляемое главным компонентом (ПК), ускоряет выборку конформационного пространства (позволяя значительно сократить вычислительные затраты) и, таким образом, обеспечивает доступ к частям конформационного пространства, которые значительно ближе к кристаллической структуре, чем исходные модели. В результате структуры, отобранные во время уточнения под управлением ПК, которые наиболее похожи на кристаллические структуры (обозначенные как «Лучшие» в Таблице 1), больше похожи на кристаллические структуры, чем те, которые были обнаружены командой, получившей наивысший рейтинг в исследовании. Соревнование CASP12 по 17 из 20 целей.Анализ первого раунда результатов уточнения под руководством ПК показал нам, что изомеризация ротамера боковой цепи участвует в медленных движениях, которые необходимы для более близкого отбора образцов нативных структур. Поэтому мы также проверили влияние уменьшения вдвое вращательных барьеров боковой цепи в силовом поле молекулярной механики (см. Материалы и методы для получения подробной информации о реализации) на способность управляемой ПК схемы совершенствовать структуры. Используя уменьшенные барьеры вращения боковой цепи, две из трех протестированных мишеней (TR884 и TR948) достигли структур с более низким среднеквадратичным отклонением, чем лучшие структуры, которые были достигнуты с использованием моделирования с полной высотой барьера за то же время моделирования (рис.2 и таблица 1). Моделирование третьей мишени, которая была протестирована с уменьшенными барьерами, TR872, не показало более низкое среднеквадратичное значение, чем моделирование с полным барьером, в течение 50 нс. Тем не менее, моделирование уменьшенной высоты барьера для TR872 действительно показало значительную тенденцию к созданию структур, более похожих на естественные. Когда мы расширили моделирование TR872 до 200 нс, среднеквадратичное значение упало и осталось около ∼2,0 Å через 100 нс, при этом самое низкое среднеквадратичное значение, измеренное в прогоне, составило 1,901 Å ( SI Приложение , рис. S6 B ), что представляет собой 0.Улучшение на 7 Å по сравнению с лучшей структурой, полученной в ходе моделирования с полным барьером 50 нс.

Рис. 1.

Краткое изложение протокола уточнения под управлением ПК, использованного в данном исследовании. Протокол уточнения включает этап крупнозернистого моделирования для определения механических деформаций, которые должны быть выполнены на этапе уточнения всех атомов, где молекула механически деформируется. Крупнозернистый AWSEM с эволюционными ограничениями из потенциала сверхглубокого обучения (AWSEMER-UD) (11) моделировался при постоянной температуре 300 K, исходя из исходной структуры модели, взятой из репозитория CASP12.Затем крупнозернистая траектория используется для нахождения основных компонентов движений позвоночника. Затем был выбран один главный компонент из тех, у которых были наибольшие собственные значения, в соответствии с влиянием его движения на изменение количества контактов (подробности см. В Материалы и методы ). Эти движения потребуют взлома. Вариации значения выбранного главного компонента во время траектории постоянной температуры показаны серым цветом. В пяти последующих моделированиях уточнения явного растворителя для всех атомов зонтичный потенциал применялся к образцу вдоль выбранного главного компонента.Контрольные точки потенциалов гармонического смещения были выбраны в диапазоне от -2 до 2 в единицах стандартного отклонения значений главных компонент, выбранных во время крупнозернистого моделирования AWSEMER-UD. Внизу показывает исходную и исходную структуры с соответствующими значениями главных компонентов.

Рис. 2.

Сводка результатов уточнения. ( A ) Среднеквадратичные значения исходных структур (черные), уточненных структур с наименьшим среднеквадратичным значением из группы «Seok» («Seok Best», зеленый цвет) (29) и структур с наименьшим среднеквадратичным значением с использованием Протокол AWSEM-PCA («PCA Best», синий).Кроме того, наименьшее среднеквадратичное значение, полученное при моделировании трех целей (TR884, TR872 и TR948), где барьеры боковой цепи были уменьшены вдвое [PCA Best half-DIHE (двугранный)], отмечены красными треугольниками. ( B ) Разница в среднеквадратичных значениях (Δrmsd; обратите внимание, что это противоположно значениям −Δrmsd, показанным в таблице 1) между исходными структурами и структурами в Seok Best (зеленый), PCA Best (синий) и «Лучший полуфабрикат СПС ДИГЕ» (красный). Черная линия проводится при значении Δrmsd = 0 в качестве ориентира для глаза.( C ) Среднеквадратичные значения исходных структур (черный), слепо выбранных структур из группы Seok (зеленый), группы «Feig» (красный) (30), уточнение под управлением ПК («PCA Select (Top1 ), ”Синий) и структура с наименьшим среднеквадратичным отклонением из пяти верхних выборок (“ Выбор PCA (Top5) ”, голубой). ( D ) Разница в среднеквадратичных значениях между исходными структурами и структурами в группах Seok (зеленый), Feig (красный), PCA Select (Top1) (синий) и PCA Select (Top5) (голубой) . Черная линия показана при Δrmsd = 0 в качестве ориентира для глаза.

Таблица 1.

Сводка результатов уточнения

Уточнение под управлением ПК приводит структуру к исходному состоянию.

Наиболее поразительный результат наших тестов уточнения заключается в том, что механические деформации, доступные при уточнении под управлением ПК, стимулируют значительные изменения структуры белка, которые обычно не происходят в протоколах уточнения чистой молекулярной динамики с ограничениями структуры при постоянной температуре. Практически для всех целей отбор проб под управлением ПК приводит некоторые траектории к структурам, которые ближе к исходному состоянию, чем исходные модели.Несколько особенно драматических структурных перестроек, которые улучшают структурную точность, проиллюстрированы на рис. 3. На рис. 3 показаны структуры до и после уточнения под управлением ПК. TR866 претерпел относительно большие изменения петлевых структур на двух сторонах своей структуры во время моделирования уточнения. В уточнении TR872 под руководством ПК вся короткая спираль на N-конце переворачивается в более нативную конформацию, чем была обнаружена в исходной структуре. В уточнении TR947, мультиспиральный домен, который выступал в растворитель, вступает в контакт с остальной частью свернутого домена, как это видно на кристаллической структуре.Такие драматические структурные изменения в больших масштабах длины не происходят в столь же короткие сроки в обычных моделях уточнения на основе фиксированных ограничений.

Рис. 3.

Три примера конформационных изменений при уточнении, где уточнение под управлением ПК значительно улучшает структуру: TR866, TR872 и TR947. ( Top ) Во всех этих случаях исходные структуры (прозрачный красный) имеют по крайней мере один домен, который претерпевает значительный структурный переход (обозначен стрелками).Эти переходы поощряются управляющими потенциалами ПК. Полученные уточненные структуры показаны синим цветом. Соответствующие экспериментально определенные структуры показаны белым цветом. Структурные представления полного списка белков в этом исследовании показаны на рисунке S7. ( Нижний ) Переновзвешенные профили свободной энергии в зависимости от выбранной главной компоненты нанесены на график для каждого набора уточняющих имитаций. Вертикальные оранжевые, зеленые, голубые и синие полосы указывают значения главных компонентов исходной, выбранной верхней 1, самой низкой среднеквадратичной ошибки и экспериментально определенных структур, соответственно.Горизонтальная красная линия указывает относительный порог свободной энергии в 2kBT от наиболее вероятного значения главного компонента согласно повторному взвешиванию имитаций уточнения. В схеме выбора структуры мы сначала применили «фильтр свободной энергии», который выбирает структуры со значениями PC в областях ниже этого порога 2kBT. Среднее значение статистического потенциала для всех атомов RWplus (31) нанесено на график как функция значения главного компонента ( Нижний ).

Сводка слепо выбранных моделей с использованием схемы машинного обучения со статистической энергией в качестве характеристик.

Схема структурного уточнения под управлением ПК определяет структуры в широком диапазоне значений основных компонентов, некоторые из которых близки к значениям, подходящим для кристаллической структуры, но также и другие значения, которые далеки от структур и, следовательно, отводят структуры от кристаллических структур. . Поэтому, чтобы ограничить начальный пул структур, которые должны учитываться при слепом выборе, мы применили «фильтр свободной энергии».Поскольку в протоколе используется выборка по важности, можно найти профиль свободной энергии вдоль главного компонента в качестве приблизительной «координаты реакции». Затем фильтр свободной энергии выбирает те структуры в областях пространства главных компонентов, где относительная свободная энергия подансамбля, соответствующая этому значению главного компонента, менее чем на 2kBT выше, чем свободная энергия, соответствующая наиболее вероятному значению главного компонента в соответствии с повторное взвешивание уточняющих симуляций (рис.3).

После применения фильтра свободной энергии протокол выбора продолжается, применяя схему логистической регрессии на основе машинного обучения, которая выбирает пять моделей из пула уточнения для каждой цели белка. Как показано на рис. 2 и в таблице 1, с точки зрения процента улучшаемых структур модель с наивысшими оценками, полученная с помощью этой процедуры (первая позиция), конкурирует с двумя наиболее эффективными командами CASP12. Наша схема выбирает «1 верхних» выбранных структур, структурная точность которых улучшена по сравнению с исходными моделями для 9 из 20 целей, в то время как 10 из 20 целей были обнаружены улучшенными в лучших выбранных структурах, о которых сообщили Сек и Фейг.Лучшие структуры из топ-5 структур, выбранных из уточнения под управлением ПК, лучше, чем исходные структуры для 12 из 20 целей. Для тех целей, которые были успешно уточнены до более низкого среднеквадратичного значения, чем у исходной модели, величина улучшения среднеквадратичного значения, обнаруженная в исследованиях Сока и Фейга, обычно составляла ∼0,1 Å. Однако для протокола уточнения под управлением ПК улучшения имеют в среднем значительно большую величину, чем те, которые были обнаружены при использовании других методов, причем наиболее резкое улучшение по сравнению с уточнением под управлением ПК составляет ∼4 Å (рис.2 D ). Отобранные топ-5 структур были дополнительно протестированы на предмет их компетентности для решения проблемы фазирования с использованием молекулярного замещения (MR) на основе существующих данных дифракции рентгеновских лучей. Показатели функции трансляции Z (TFZ) были улучшены с помощью схемы уточнения структуры под управлением ПК для всех семи целей в нашем тесте ( SI, приложение , таблица S2). Это демонстрирует, что слепо выбранные модели из уточнения под управлением ПК могут помочь в решении нефазированных рентгеновских кристаллических структур.

Исследование поверхности свободной энергии по подобию кристаллической и исходной структур.

Вера в то, что выполнение полностью атомных симуляций при наличии достаточного времени приведет к почти естественным структурам, неявно опирается на представление о том, что энергетические ландшафты, генерируемые текущими полностью атомными силовыми полями, на самом деле направляются к экспериментально определенным структурам для белковых последовательностей. которые изучаются (32). Даже если нынешние атомистические ландшафты, на самом деле, в достаточной степени распределены по каналам, проблемы с отбором образцов с полностью атомными моделями из-за медленных режимов перегруппировки усложняют определение истинного минимального бассейна свободной энергии для любой данной последовательности белков.Чтобы увидеть, действительно ли полностью атомистический ландшафт соответствующим образом связан с рентгеновской структурой, мы попытались определить относительную свободную энергию ансамбля структур, близких к исходным модельным структурам, и ансамбля структур, близких к известным кристаллическим структурам, путем расчета относительные свободные энергии различных значений выбранного главного компонента, используемые в наших уточняющих моделированиях. В большинстве случаев подансамбль с главным компонентом, который соответствует кристаллической структуре, находился в пределах 2kBT от минимума профиля свободной энергии ( SI Приложение , рис.S1), поддерживая идею о том, что текущее атомистическое силовое поле направляется к нативным структурам. Тем не менее, для нескольких целей самые низкие среднеквадратичные значения, взятые во время моделирования уточнения, все еще были выше типичного кристаллографического разрешения ~ 2 Å; т.е. в непосредственной близости от экспериментально определенных структур выборка не проводилась. Чтобы отобрать образцы ближе к экспериментально определенной структуре, может потребоваться отбор образцов по дополнительным основным компонентам, как описано ниже.В качестве альтернативы, некоторые аспекты текущего силового поля, которые не соответствуют кристаллической структуре мономера, могут препятствовать отбору проб таких почти естественных структур. Наконец, кристаллические контакты или присутствие дополнительных партнеров взаимодействия в кристалле, которые не были включены в моделирование уточнения, могут привести к этому несоответствию.

Для дальнейшего изучения складчатого ландшафта вблизи экспериментально определенных структур мы выполнили дополнительное моделирование зонтичной выборки для одной из целей уточнения, TR872.TR872 был выбран для дальнейшего анализа по нескольким причинам. Экспериментально определенная структура TR872 была решена как мономер, и поэтому мы не ожидаем осложнений, связанных с влиянием отсутствующего олигомерного интерфейса на моделирование уточнения с использованием только мономера. Хотя исходная модель TR872, которая была предоставлена ​​для уточнения во время конкурса CASP12, имеет относительно высокое среднеквадратичное значение по сравнению с экспериментально определенной структурой (5,589 Å), уточнение под руководством ПК позволило существенно улучшить эту исходную модель до такой структуры, как: в лучшем случае чуть выше кристаллографического разрешения (2.6 Å). Кроме того, эта цель была тщательно изучена Хео и Фейгом (30) и была обнаружена ими как трудная для уточнения с помощью типичного моделирования всеатомного уточнения на основе ограничений. Позже они также показали, что силовое поле действительно имело ансамбль структур с минимальной свободной энергией, который находится в пределах экспериментальной точности (2 Å) в соответствии с их обширным моделированием, в котором использовался тот же полностью атомный потенциал, который использовался в настоящем исследовании (27).

Моделирование, предназначенное для исследования ландшафта свободной энергии между моделью и экспериментально определенными структурами, было инициализировано, начиная как со структуры с наименьшим среднеквадратичным отклонением до исходной, взятой во время моделирования уточнения («модельная» структура), так и с экспериментально определенная структура.Отбор проб проводился по Q _diff , параметру порядка, который интерполирует между двумя структурами (подробности см. В «Материалы и методы »). Полученные профили свободной энергии после повторного взвешивания предполагают, что существует небольшой барьер, разделяющий структурные ансамбли модели и экспериментально определенную структуру (Рис. 4 A и B , Top ). Структуры в бассейне свободной энергии, расположенном рядом с модельной структурой (бассейн B), как правило, более неоднородны, чем структуры в бассейне, ближайшем к рентгеновской структуре (бассейн A), что можно увидеть по большей дисперсии в конструкции (рис.4 A и B , Top ) и параметры порядка, которые использовались для количественной оценки структурного сходства (рис. 4 A и B , Middle и Bottom ). Мы также наблюдали барьеры между модельными и экспериментально определенными структурами в профилях свободной энергии для нескольких других целей ( SI Приложение , рис. S4). Такой барьер, по-видимому, замедлит попытки уточнения с использованием только прямой молекулярной динамики при постоянной температуре.Ниже мы обсудим очевидное происхождение этого барьера и несколько способов преодоления этого барьера с целью эффективного уточнения структур, близких к естественным.

Рис. 4.

Поверхности свободной энергии, построенные на основе зонтичной выборки Q _diff TR872. Поверхности показаны с двумя типами координат реакции: среднеквадратичное значение ( A ) и значения Qw ( B ). Каждая поверхность показана как функция сходства как со структурой модели, так и с исходной структурой. ( A и B , Top ) Существует очевидный барьер между бассейнами, наиболее близкими к экспериментально определенной структуре (бассейн A), и бассейнами, наиболее близкими к модельной структуре (бассейн B). ( A и B , Middle ) Среднее значение и стандартное отклонение точности боковой цепи для захороненных и открытых остатков, рассчитанные как функция этих же координат реакции. Они показаны отдельно для ароматических остатков и для неароматических остатков. ( A и B , Bottom ) Значение математического ожидания и стандартное отклонение статистического потенциала всех атомов, RWplus, рассчитанные как функция этих же координат реакции.

Точность ротамеров с боковой цепью.

Как только пептидный остов предсказанной структуры находится в пределах нескольких ангстрем от экспериментально определенной структуры, любые оставшиеся значительные различия между предсказанными и экспериментальными структурами, вероятно, будут вызваны различиями в ориентации боковых цепей. Правильная ориентация боковой цепи может играть роль в правильной настройке сайтов связывания для лекарств и катализа и, таким образом, является интересной мерой качества структуры.Определение ориентации боковых цепей происходит медленно, особенно внутри переполненного белка. Здесь мы вычислили долю углов ротамера боковой цепи, которые находятся в пределах 40 ^○ их соответствующих значений в кристаллических структурах (значение, обычно принимаемое для присвоения дискретных состояний ротамера). Мы отдельно отслеживаем эту фракцию на предмет скрытых остатков, переориентация которых сильно связана с белком в глобальном масштабе, и остатков на поверхности, которые относительно свободно вращаются в растворителе.Наши расчеты показывают, что захороненные ароматические остатки обычно менее правильно размещены, чем захороненные неароматические остатки, в том, что касается их угла χ1, но точность предсказанных углов χ2 выше для захороненных ароматических остатков, чем для захороненных неароматических остатков ( SI Приложение , рис. S2). Последнее наблюдение может быть объяснено более ограниченным априорным распределением углов χ2 для ароматических остатков, чем для неароматических остатков, происходящих из стереохимии (33).Для краткости мы называем точность групп захороненных остатков в конструкции «bAccuracy» и аналогичным образом называем точность групп обнаруженных на поверхности остатков «sAccuracy».

Мы подробно исследовали точность ориентации боковых цепей для ряда смоделированных структурных ансамблей TR872. Ансамбли были созданы с использованием смещенной выборки, которая была разработана для исследования ландшафта свободной энергии между двумя эталонными структурами. Одной эталонной структурой была экспериментально определенная структура.Другой эталонной структурой была структура, созданная во время уточняющего моделирования TR872 под управлением ПК, которая имела наименьшее среднеквадратичное значение экспериментальной структуры. Полученные повторно взвешенные ландшафты свободной энергии как функция сходства с эталонными структурами можно увидеть на рис. 4. При использовании либо среднеквадратичных значений, либо долей правильных попарных расстояний, Qw, до эталонных структур, два доминирующих бассейна свободной энергии могут быть замеченным на пейзаже. Мы обозначаем эти бассейны как «бассейн A» и «бассейн B.Бассейн А — это бассейн на ландшафте, ближайший к экспериментально определенной структуре. Бассейн B находится примерно на одинаковом расстоянии от экспериментально определенной структуры и уточненной структуры.

В бассейне B точность определения углов χ1 для ароматических остатков оказалась ниже, чем для неароматических остатков (рис. 4 A и B , Middle ). Среднее значение χ1 bAccuracy увеличивается в среднем по мере уменьшения среднеквадратичного значения кристаллической структуры, указывая на то, что точность основной цепи и точность боковой цепи действительно связаны в почти естественных структурных ансамблях.Дисперсия bAccuracy меньше в естественном бассейне (бассейн A), чем в бассейне B: конформации боковой цепи значительно более ограничены для конформаций скелета, близких к экспериментально определенной структуре. Точность открытых боковых цепей ниже, чем точность скрытых боковых цепей, и показывает более высокую степень вариации: состояния ротамера открытых остатков на поверхности менее четко определены, чем состояния ротамера скрытых остатков. Взятые вместе, эти результаты показывают, что одним из узких мест при уточнении структур, начиная с моделей, близких к естественным, является коррекция углов χ1 ароматических остатков.Поскольку в лабораторных условиях перевороты ротамера боковой цепи могут занимать миллисекунды или даже больше (24), неспособность в достаточной степени определить углы χ1 ароматических остатков путем прямого моделирования в наносекундных временных масштабах, очевидно, является проблемой, которую необходимо преодолеть, если структура, основанная на молекулярной динамике схемы доработки должны быть полностью успешными.

Уменьшение барьера двугранных боковых цепей еще больше улучшает схему уточнения структуры с помощью ПК.

Можно представить несколько способов ускорения изомеризации боковых цепей белка.Здесь мы решили уменьшить энергетические барьеры между ротамерами с боковой цепью, используемыми в силовом поле для всех типов остатков, уменьшив вдвое силовую константу двугранного потенциала (34). По-прежнему будет существовать барьер для переориентации из-за упругой деформации белковой среды, такой же, как при диффузии межузельных атомов в металле (35). В моделировании выборки Q _diff TR872 с уменьшенными барьерами кажущиеся барьеры свободной энергии, разделяющие модель и естественные бассейны (бассейны A и B на рис.5 A ), тем не менее, были значительно сокращены (рис. 5 B ). Это уменьшение кажущейся высоты барьера также наблюдалось, когда барьеры изомеризации боковой цепи только для ароматических остатков были уменьшены: алифатические остатки хорошо уравновешиваются в настоящих временных масштабах моделирования. Таким образом, медленная изомеризация ароматических боковых цепей, по-видимому, является основным препятствием для дальнейшей очистки. Стерическая скученность во внутренней части белка — еще один важный эффект, замедляющий вращение боковых цепей.Следовательно, вращение боковой цепи может быть дополнительно ускорено за счет уменьшения ван-дер-ваальсовых радиусов атомов в больших остатках боковой цепи. Конечно, нужно быть осторожным, чтобы любые средства, используемые для ускорения движений, не нарушали также и равновесные структуры неблагоприятным образом.

Рис. 5.

Уменьшение двугранных барьеров боковой цепи уменьшает кажущийся барьер свободной энергии между модельной структурой и экспериментальной структурой. ( A – C ) Свободная энергия, построенная на основе термодинамической выборки Q _diff TR872 с использованием ( A ) силового поля CHARMM36m, ( B ) силового поля CHARMM36m с двугранными барьерами боковой цепи ароматических остатки уменьшены вдвое, и ( C ) силовое поле CHARMM36m с двугранными барьерами боковых цепей всех остатков уменьшено вдвое.Профили кажущейся свободной энергии показаны как функция двух типов координат реакции, rmsd ( A – C , слева ) и Qw ( A – C , справа ). Снижение барьеров боковой цепи ароматических остатков снижает большую часть кажущегося барьера свободной энергии в сторону нативного состояния, что было замечено в моделировании полного барьера, в то время как уменьшение барьеров боковой цепи всех типов остатков по существу устраняет барьер.

Таким образом, мы затем протестировали влияние снижения барьеров изомеризации ротамера боковой цепи на производительность схемы уточнения структуры под управлением ПК для TR872, проведенной, как и раньше, но с более низкими барьерами.В течение того же времени моделирования, что и раньше (50 нс), набор имитаций с уточнением нижнего барьера сгенерировал структуры со среднеквадратичными значениями, аналогичными тем, которые использовались в лучших моделированиях, полученных с использованием стандартного силового поля. Уточнения нижнего барьера также дали значительно улучшенные значения Qw ( SI Приложение , рис. S6). Мы расширили уточняющее моделирование, используя как стандартные силовые поля, так и силовые поля с пониженным барьером, с 50 нс до 200 нс. Моделирование сокращенных барьеров продолжительностью более 200 нс демонстрирует явно лучшую детализацию, чем моделирование в долгосрочном масштабе с исходными барьерами.Моделирование под управлением ПК с использованием уменьшенных барьеров изомеризации боковой цепи последовательно снижает среднеквадратичное значение выбранных структур из экспериментально определенной структуры, в конечном итоге достигая среднеквадратичного значения всего 1,901 Å. Мы протестировали процедуру с использованием уменьшенного силового поля барьера на двух дополнительных мишенях, TR884 и TR948. Обе эти цели также демонстрируют улучшенное структурное совершенствование с использованием уменьшенных барьеров (рис. 2 и таблица 1).

Важно помнить, что белки не остаются замороженными в единой структуре, а образуют ансамбль на ландшафте (26).Таким образом, мы исследовали, позволяет ли усиленная выборка, возникающая в результате снижения барьеров изомеризации боковой цепи, реконструировать этот ансамбль путем неограниченной выборки, начиная с модельных структур или экспериментально определенных структур. С этой целью мы выполнили дополнительный набор из четырех 100-нс неограниченных расчетов постоянной температуры (300 K) для TR872, исходя из уточненной модельной структуры, а также из кристаллической структуры. Мы использовали как полубарьерные, так и полнобарьерные силовые поля.Тест Колмогорова – Смирнова (К.С.) позволяет количественно оценить сходство различных ансамблей (36). Поэтому тест KS, основанный на значениях взаимной Qw пар структур из смоделированных ансамблей, был использован для проверки сходства различных ансамблей. Тест KS показывает, что ансамбли, которые были созданы, исходя из модели и экспериментальных структур, более похожи друг на друга, когда используется силовое поле с уменьшенными барьерами изомеризации боковой цепи, чем когда ансамбли генерируются с использованием силового поля с барьеры полной изомеризации ( SI Приложение , рис.S5).

Обсуждение и заключение

Экспериментально определенные структуры и собственные ансамбли.

Дифракция рентгеновских лучей широко считается золотым стандартом для определения структуры белков. Теперь, когда с помощью моделирования и других экспериментальных методов определения структуры можно получить структурные модели, близкие к экспериментальной точности дифракции рентгеновских лучей или даже в пределах нее, разумно задаться вопросом, могут ли структуры, полученные этими другими методами, в некотором смысле быть, Лучшее представление структур, отобранных молекулой в растворе, чем рентгеновские структуры.Есть по крайней мере два априорных способа, с помощью которых структурные ансамбли, полученные моделированием, могут лучше представлять молекулу, чем структуры, указанные в исследованиях дифракции рентгеновских лучей: ансамбль в растворе и ( ii ) даже средняя структура моделируемого ансамбля может быть более точной, чем рентгеновская структура, из-за посторонних влияний в кристалле, например, кристаллических контактов. Если в качестве критерия использовать консенсус между методами, влияние кристаллов на среднюю структуру кажется довольно слабым.Недавно Хео и Фейг (27) показали, что силовое поле молекулярной динамики, используемое в настоящем исследовании, создает ансамбли с минимальной свободной энергией, центрированные в пределах 0,8–2,0 Å Cα среднеквадратичного отклонения от экспериментально определенных структур для всех восьми целей уточнения, которые они проверено. Их анализ, однако, также показывает, что существует значительное структурное разнообразие в термически доступных ансамблях для этих белков, возможно большее разнообразие, чем некоторые могут себе представить. Оба этих результата согласуются с нашими настоящими выводами.За некоторыми заметными исключениями, белковые структуры на основе дифракции рентгеновских лучей почти всегда депонируются в структурные базы данных в виде уникальных наборов трехмерных координат. Однако многие эксперименты показывают, что белки в растворе образуют многочисленные конформации (26). Было показано, что даже при определении структуры белков в кристаллах рентгенограммы лучше объясняются ансамблем структур, чем отдельной структурой (37, 38).

Хотя белковые скелеты кажутся в значительной степени не нарушенными кристаллическими эффектами, то же самое в целом неверно для ориентации боковых цепей.Когда дифракция рентгеновских лучей используется для определения структуры одного и того же белка в различных кристаллических средах, ориентации боковых цепей структур часто не совпадают (39, 40), особенно когда кристаллы имеют разные пространственные группы. Это несоответствие наиболее заметно для боковых цепей, которые находятся на поверхности белка, но также существует для боковых цепей, которые скрыты внутри белка (41). Уровень согласия между ориентациями боковых цепей в нескольких рентгеновских структурах одного и того же белка лишь немного выше, чем уровень согласия, который мы обнаружили между ориентациями боковых цепей симулированных ансамблей, близких к естественным, и соответствующими кристаллическими структурами. .В нашем моделировании «точность» открытых ротамеров с боковой цепью оказалась в среднем всего 50–60% для структур, близких к естественным (среднеквадратичное значение 1–2 Å), как было определено путем сравнения с одним X -лучевая структура, тогда как сравнение множественных рентгеновских структур предполагает взаимное согласие в ориентации открытых боковых цепей на уровне 75%. Согласие между рентгеновскими структурами и моделированными ансамблями, близкими к естественным, для скрытых боковых цепей выше, около 90%, но все еще не идеально.При сравнении нескольких рентгеновских структур было обнаружено, что ориентации скрытых боковых цепей совпадают примерно в 95% случаев (41). Таким образом, дно складной воронки лучше рассматривать как кальдеру (42) с умеренной шероховатостью, а не как особую точку.

Мы также должны помнить, что подход, который мы принимаем даже в идеальных условиях, позволяет предсказать структурный ансамбль мономерного белка в растворе. Кристаллические структуры, по-видимому, в большинстве случаев лежат внутри или очень близко к этим предсказанным ансамблям растворов, но на структуры мономеров в кристаллах может влиять присутствие олигомерных партнеров.Если структура одного белка зависит от его олигомерного партнера, белковый комплекс необходимо полностью смоделировать после уточнения. Если присутствуют кофакторы, такие как лиганды, гемы и ионы, их также необходимо будет включить в структурное уточнение, основанное на чисто физических силовых полях. В нашей панели анализов белки, которые содержат явно связанные ионы или гемовые группы, такие как TR922 (два кальция связаны) и TR891 (гемовые связи), не были очищены, как и те, которые не содержат таких кофакторов. SI Приложение , таблица S1 содержит сводку результатов уточнения и примечания для каждой цели уточнения, указывающие, была ли решена цель в комплексе с другим белком или в комплексе с кофактором.

Искать внизу воронки.

Ранние теоретические рассмотрения проблемы сворачивания белка столкнулись с идеей о том, что для завершения полностью неуправляемого поиска белком его нативного состояния во всем его конформационном пространстве потребуется во много раз больше возраста Вселенной.Теперь мы понимаем, что полный поиск в конформационном пространстве не нужен: предвзятый случайный поиск, который направляется сильными естественными взаимодействиями в направленном энергетическом ландшафте, позволяет белкам складываться в биологических временных масштабах (43, 44). Поэтому на первый взгляд может показаться загадочным, почему было так сложно предсказать и уточнить структуру белка с помощью молекулярного моделирования, даже когда доступны точные энергетические функции. Разрешение этого кажущегося парадокса состоит в том, что в нижней части воронки неровность ландшафта, по-видимому, достаточно велика, чтобы дать временные шкалы уравновешивания, которые бросают вызов текущим вычислительным ресурсам, даже если они недостаточно велики, чтобы создать проблему для физиологии.

Мы видели, что как только структура белка оказывается на достаточно малом среднеквадратичном расстоянии от экспериментально определенной структуры с точки зрения эффективной координаты реакции, она спонтанно переходит в состояние, очень близкое к кристаллической структуре. Наши симуляции, соединяющие модельную структуру и экспериментально определенную структуру TR872, демонстрируют эту точку зрения (рис. 4 A ). Как только структура достигает 2,5 Å (или Qw ≥ 0,8) экспериментальной структуры с точки зрения среднеквадратичного значения CA, как статистический потенциал (оценка RWplus), так и точность боковой цепи (bAccuracy) приобретают почти идеальную корреляцию со среднеквадратичным значением. , и в этом «радиусе» почти нет барьера между нативом и другими структурами.

Анализ ландшафта свободной энергии, по-видимому, предполагает наличие небольшого кинетического барьера, отделяющего бассейн около экспериментальной структуры от других близких к естественным структурам. Недостаточная выборка во время нашего моделирования Q _diff может переоценить высоту такого барьера из-за памяти структур, используемых для инициализации моделирования, в то время как использование несовершенных координат реакции смещает эту выборку, вероятно, приводит к недооценке барьера, поэтому указанную здесь высоту барьера следует считать несколько неопределенной.Однако важно отметить, что мы определили, что исправления двугранных боковых цепей — это движения, которые вносят вклад в этот барьер. Уменьшение двугранных барьеров боковой цепи улучшает отбор проб на дне воронки (рис. 5 B и C ). Действительно, повторение нескольких прогонов по уточнению структуры под контролем ПК с более низкими двугранными барьерами боковых цепей позволило достичь более нативных белковых структур, чем моделирование с полными барьерами, которые обычно используются.

Инструменты белкового кузнеца.

Есть много предпосылок для успешной доработки под управлением ПК. Во-первых, относительно точное крупнозернистое силовое поле полезно для определения соответствующих векторов ПК для значительного изменения структур. Здесь мы использовали AWSEMER-UD (11), крупнозернистое силовое поле, которое, как было продемонстрировано, само по себе является успешным инструментом для предсказания структуры белка de novo. Учитывая набор векторов ПК, соответствующие ПК можно идентифицировать, проверив взлом по координатам ПК.

Хотя это исследование демонстрирует возможности использования протокола уточнения под управлением ПК, выбирающего только один вектор ПК в качестве координаты выборки, дальнейшие уточнения могут быть достигнуты путем детализации по дополнительным векторам ПК. Чтобы продемонстрировать эту возможность, мы геометрически изменили структуру TR872, последовательно заменив значения PC исходной модели на значения исходной структуры. Результирующая кривая среднеквадратичного отклонения от количества замененных значений ПК ( SI Приложение , рис.S3) показывает, что коррекция 15 ПК с наибольшими собственными значениями без какой-либо дополнительной вероятностной выборки приводит к структуре со среднеквадратичным отклонением 1,5 Å от экспериментальной структуры. Необходимы дальнейшие исследования для поиска наилучшего способа переупорядочения векторов PC, чтобы выборка по минимальному количеству из них привела к максимальному уточнению предсказанных структур с грубым зерном.

В этой статье мы проиллюстрировали, как подход под управлением ПК может улучшить предсказанные структуры белков до их кристаллических структур.Текущий метод также может быть использован для уточнения структур среднего разрешения, полученных, например, с помощью крио-ЭМ методов, или для выборки конформаций белков, подвергающихся большим конформационным переходам. Протокол похож на то, как кузнецы выковывают мечи. Это оказывается очень эффективным в вычислительном отношении. В реальном кузнечном деле важным аспектом является многократное нагревание и охлаждение образца. Естественным продолжением текущего протокола было бы объединение механических деформаций под управлением ПК с непрерывным моделированием отпуска, который выполняет управляемое случайное блуждание в температурном пространстве (45, 46).Можно также рассмотреть возможность проведения моделирования обмена гамильтоновой репликой с репликами, которые имеют разную силу барьеров изомеризации ротамеров боковой цепи, чтобы использовать ускорение, разрешенное за счет снижения барьеров, без ущерба для структурной специфичности, достигаемой при использовании полной высоты барьера. Используя возможности этих ортогональных методов в усовершенствовании, мы можем вскоре ожидать, что более точные структуры станут повседневно доступными из расчетных прогнозов с точностью, соперничающей с определениями дифракции рентгеновских лучей.

Материалы и методы

Анализ главных компонентов моделирования AWSEMER-UD.

Анализ главных компонентов (PCA) — это процедура поиска набора взаимно ортогональных векторов для описания многомерного набора данных. Коэффициенты первого вектора определяются так, чтобы дисперсия многомерных входных данных в этом направлении была максимальной. Второй вектор ортогонален первому и указывает в направлении, которое максимизирует оставшуюся дисперсию входных данных и т. Д.В контексте динамики белка PCA использовался для описания существенной динамики белка на основе коррелированных колебаний атомистических положений (47, 48). Чтобы получить хорошо отобранный ансамбль для анализа PCA, мы использовали крупнозернистое силовое поле AWSEMER-UD (49). AWSEMER-UD первоначально был описан в исх. 11. Здесь мы приняли вариант AWSEMER-UD и инициализировали моделирование из структур, которые были предоставлены участникам конкурса по уточнению структуры CASP12 (28).Полный гамильтониан, используемый во время крупномасштабного моделирования, приведен в формуле. 1 : H = Vbackbone + Vcontact + Vburial + VFM + VHB + VUD − Bias. [1] Первые пять членов в уравнении. 1 взяты из стандартного потенциала AWSEM, описанного в ссылке. 12. VUD-Bias (уравнение 2 ) — это гармонический потенциал, основанный на парных контактах, выведенных из RaptorX, метода вывода контактов на основе глубокого обучения (4, 50, 51): VUD-Bias = 12kUD-Bias ( Q − 1.0) 2. [2] В уравнении. 2 , жесткость пружины kUD − Bias = 400.0 ккал / моль и Q дается в формуле. 3 : Q = 1 / ∑i, jwij∑i, jwij⋅exp− (r-restimate) 22σij2. [3] Сумма в уравнении. 3 пробегает все контакты, предсказанные RaptorX, которые имеют предсказанную вероятность больше 0,5. wij в формуле. 3 — это префактор, который пропорционален вероятности образования контакта, определенной RaptorX (50). restimate — это оценочное расстояние, зависящее от типа пары остатков, которое было получено путем обзора базы данных белковых структур (11). σij = | i − j | 0.15 Å — ширина скважины, зависящая от разделения последовательностей.

Всеатомные симуляции под управлением ПК.

Смоделированная траектория из AWSEMER-UD использовалась для анализа PCA положений атомов CA. Рассчитанные векторы PC упорядочены по собственным значениям. Собственное значение указывает величину флуктуации соответствующего движения ПК. Поскольку петля на терминальном конце белка может демонстрировать большие колебания, этот тип движения иногда может проявляться в ПК с наибольшими собственными значениями.Поскольку эти виды движений обычно не имеют отношения к структурному совершенствованию, мы используем «контактный фильтр», чтобы отфильтровать эти виды движений. Контактный фильтр вычисляет SD контактов для 10 ПК с наибольшими собственными значениями. Контакт определяется как образованный, если соответствующие атомы CA находятся в пределах 9,5 Å друг от друга. Таким образом, контактный фильтр может улавливать ПК, которые изменяют структуру в наибольшей степени. Мы выбрали ПК с наибольшим стандартным отклонением числа контактов, чтобы направлять выборку для последующих полностью атомных симуляций.

Затем был проведен набор полностью атомных явных моделей уточнения растворителя под управлением ПК. Чтобы провести моделирование всех атомов по выбранному вектору ПК, мы применили потенциал зонтичной выборки вдоль выбранного вектора ПК. Всего в зонтичной выборке использовалось пять окон с контрольными точками в -2,0, -1,0, 0, 1,0 и 2,0 раза больше стандартного отклонения значений ПК из моделирования AWSEMER-UD, которое использовалось для получения ПК. Такой выбор зонтичной выборки обеспечивает широкий охват пространства ПК.Было только три случая, когда значение PC экспериментально определенной структуры выходило за пределы диапазона этого выбора ( SI Приложение , рис. S1). Во всех трех случаях исходная структура находилась на расстоянии более 7 Å от экспериментально определенной структуры.

Полноатомное моделирование было выполнено с использованием силового поля CHARMM36m (Chemistry at Harvard Macromolecular Mechanics 36m) и временного шага 2,0 фс. Полный заряд системы нейтрализовали добавлением ионов Na и Cl, и конечная ионная концентрация была равна 0.15 М. Моделирование проводилось в ансамбле с постоянным числом, объемом и температурой частиц. Зонтичные потенциалы постепенно увеличивались в силе с течением времени, линейно увеличиваясь от 0,0 до большой жесткости пружины k = 200 кДж / моль в течение первых 1 нс и оставаясь постоянной на этом большом значении в течение 2 нс. Затем прочность была линейно уменьшена во времени до k = 5,0 кДж / моль в течение 1 нс и удерживалась на этом значении до конца моделирования. Эта процедура обеспечивает быстрое структурное изменение белка в начале моделирования.Общее время моделирования составляло 50 нс. Моделирование проводилось с использованием GROMACS 5.1.4 (52) с патчем PLUMED-2.3.4 (53, 54). Профили свободной энергии были восстановлены с использованием метода анализа взвешенных гистограмм (WHAM) (55).

Улучшение отбора проб ротамеров с боковой цепью за счет снижения барьера изомеризации ротамеров с боковой цепью.

Изомеризация боковой цепи происходит медленно внутри белков (24). Явный барьер для изомеризации может быть уменьшен за счет уменьшения силовой константы двугранных потенциалов боковой цепи в молекулярном силовом поле (34).Стоит отметить, что эффективный барьер для изомеризации боковой цепи представляет собой комбинацию явного барьера в силовом поле молекулярной механики и фактора, зависящего от окружающей среды, возникающего в результате стерических столкновений во время попыток вращения (24). Здесь мы уменьшили силовую постоянную двугранных потенциалов вдвое по сравнению со стандартными значениями, используемыми в силовом поле CHARMM36m. Были протестированы два варианта такого восстановления: ( i ) восстановление только для ароматических остатков (His, Phe, Tyr и Trp) и ( ii ) восстановление для всех типов остатков.Мы обнаружили, что уменьшение барьеров ароматических остатков значительно снижает барьер между модельными и экспериментально определенными структурами и что уменьшение барьеров для всех типов остатков дополнительно снижает этот барьер (рис. 5). Мы проверили влияние снижения барьера изомеризации боковой цепи наполовину для всех типов остатков на слепое уточнение структуры, выполнив моделирование уточнения под управлением ПК для трех целей: TR884, TR872 и TR948.

Выбор целей уточнения и исходных структур.

Все цели доработки были взяты из конкурса доработок CASP12. Первоначальные структуры были загружены с официального сайта CASP12. Уточненные структуры сравнивали либо с экспериментально определенными структурами, представленными на том же веб-сайте, либо, если структура там не была доступна, с соответствующими экспериментально определенными структурами, которые были депонированы в базе данных Protein Data Bank (PDB) (56).

Слепой отбор очищенных белковых структур с использованием схемы машинного обучения.

Чтобы выбрать структуры-кандидаты из нашей уточняющей выборки без использования информации об экспериментально определенной структуре, мы использовали алгоритм на основе машинного обучения, основанный на логистической регрессии. Подробности этого метода были приведены ранее (3). Вкратце, мы использовали три функции, фиксирующие качество структур для нашего обучения и прогнозов: энергии «RWplus» (31), общие энергии AWSEM, оцененные на основе структурных структур белков с помощью гамильтониана AWSEM (12), и VUD-Bias. член (4) (Ур. 2 ). Алгоритм логистической регрессии был обучен путем классификации 1% верхних структур (с наименьшим среднеквадратичным значением СА к экспериментально определенной структуре), которые были отобраны во время серии имитаций уточнения одного белка (здесь мы использовали TR866). Функция стоимости, которую необходимо минимизировать во время обучения, приведена в формуле. 4 : J (θ) = — 1m∑i = 1m [y (i) log (ŷ (i)) + (1 − y (i)) log (1 − ŷ (i))]. [4] В формуле. 4 , m — количество обучающих примеров, θ — весовой вектор, = 1 / (1 + e − θT⋅x).y — обучающие данные, которые в данном случае представляют собой верхний 1% структур, отобранных во время моделирования уточнения TR866, как описано выше. Во время обучения веса этих трех характеристик были оптимизированы таким образом, чтобы функция стоимости J была минимизирована.

Образцы ландшафтов свободной энергии между модельными и экспериментальными структурами.

Чтобы охарактеризовать ландшафт свободной энергии в нижней части складывающейся воронки, мы выполнили набор имитаций зонтичной выборки на основе координаты реакции Q _diff , которая интерполируется между двумя заданными эталонными структурами (57): (rij) −q (rij) 1 / q (rij) 2 − q (rij) 1.[5] q (rij) в уравнении. 5 приведено в формуле. 6 : q (rij) = 1 (N − 2) (N − 3) ∑j> i + 2 [e− (rij − rijN1) / 2σij2 − e− (rij − rijN2) / 2σij2]. [6 ] В формуле. 6 , σij = | i − j | 0,15 Å и q1 = qijN1, q2 = qijN2. Верхние индексы N 1 и N 2 указывают расстояния, измеренные в первой и второй эталонных структурах, соответственно. Мы выбрали структуру с наименьшим среднеквадратичным значением CA, которое было отобрано во время моделирования уточнения под управлением ПК (с полной высотой барьера), в качестве первой эталонной структуры и соответствующую экспериментально определенную структуру в качестве другой эталонной структуры.

Метрики оценки подобия структуры.

Мы использовали две метрики для измерения сходства уточненных структур с экспериментально определенными структурами. CA rmsd измеряет среднеквадратичное отклонение атомов CA в структуре от соответствующих положений атомов в экспериментально определенной структуре после выравнивания. Qw вычисляется, как показано в формуле. 7 : Qw = 2 / ((N − 2) (N − 3)) ∑j − i> 2e − rij − rijN2 / 2σij2. [7] В уравнении. 7 , rij и rijN — это расстояния между атомами СА двух остатков в модельной и экспериментально определенных структурах, а N — общее количество остатков в целевом белке.σij = | i − j | 0,15 Å — ширина скважины, зависящая от разделения последовательностей.

Оценка ротамеров с боковой цепью.

Чтобы оценить точность ротамеров с боковой цепью, мы рассчитали точность боковой цепи для захороненных и открытых остатков на основе нашего моделирования (bAccuracy и sAccuracy) (3). Погребенные остатки определяются как те, которые имеют 20% или меньше нормализованных площадей, подверженных воздействию растворителя, в то время как открытые остатки определяются как те, которые имеют 50% или больше нормализованных зон, подверженных воздействию растворителя (58).Точность боковой цепи измеряли как долю скрытых остатков, углы боковых цепей которых лежат в пределах 40 ° от углов соответствующих экспериментально определенных структур. В этом исследовании были проанализированы углы боковых цепей χ1 и χ2.

Тест на молекулярное замещение.

Следуя обычно используемым протоколам, чтобы максимизировать производительность молекулярного замещения, гибкие части входных моделей (исходная модель до уточнения и топ-5 слепо выбранных моделей) были удалены в соответствии с предсказанными вторичными структурами с использованием RaptorX Property (59) , алгоритм предсказания вторичной структуры белка, разработанный с использованием глубокого обучения.Все сегменты, которые, как предполагалось, были катушками, были удалены. Эти обрезанные модели были введены в Phaser под Phenix (60) для расчета показателя TFZ. Факторы B всех моделей были одинаково установлены на 0, а оценочное среднеквадратичное значение было установлено на 2,0 Å. Пространственные группы молекул в кристалле загружены в соответствии с данными, представленными на сайте PDB. Все остальные параметры остаются в значениях по умолчанию. Количество копий поиска основывалось на субъединичной стехиометрии кристаллических структур.Из 20 белков, используемых в схеме уточнения структуры под управлением ПК, только 7 белков были протестированы на молекулярную замену, потому что они имели данные дифракции рентгеновских лучей, депонированные в базе данных, и имеют относительно простую стехиометрию субъединиц (мономер или димер).

Благодарности

Мы благодарим Ганса Фрауэнфельдера, чьи героические исследования установили важность и сложность энергетического ландшафта свернутых белков, идеи, которые лежат в основе этой работы. Авторы благодарят Джорджа Филлипса и Митча Миллера за полезные обсуждения молекулярной замены и фазирования данных рентгеновской дифракции.Эта работа поддерживается Национальным научным фондом (NSF) — Центром теоретической биологической физики, грантами NSF PHY-1427654 и NSF CHE-1614101, а также грантом R01 GM44557 из Национального института общих медицинских наук. Дополнительную поддержку оказала кафедра Д. Р. Булларда-Уэлча в Университете Райса (грант C-0016, предоставленный P.G.W.).

Сноски

• Авторы: X.L., N.P.S., J.N.O. и P.G.W. спланированное исследование; X.L., N.P.S., W.L., S.J., X.C., M.К. и П.Г.У. проведенное исследование; X.L., N.P.S., W.L., X.C., M.C. и P.G.W. внесены новые реагенты / аналитические инструменты; X.L., N.P.S., W.L., S.J., M.C., J.N.O. и P.G.W. проанализированные данные; и X.L., N.P.S., J.N.O. и P.G.W. написал газету.

• Рецензенты: R.B.B., Национальные институты здравоохранения; и A.E.G., Лос-Аламосская национальная лаборатория.

• Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

• Размещение данных: код AWSEM доступен в Интернете по адресу https: // github.com / adavtyan / awsemmd. Код для выполнения смещения на базе ПК в GROMACS доступен в Интернете по адресу https://github.com/XingchengLin/PC-guided_protein_structure_refinement.git.

• Эта статья содержит вспомогательную информацию на сайте www.pnas.org/lookup/suppl/doi:10.1073/pnas.18116/-/DCSupplemental.

Кузнечный инструмент — обзор

1 ВВЕДЕНИЕ

Схема прямого использования энергии в Норвегии довольно проста. Нефтепродукты в основном используются для транспорта и отопления, в то время как гидроэнергетика покрывает остальную потребность промышленности и домашних хозяйств в энергии.Эта модель имеет давние традиции: как отраслевые инновации в начале века, так и программы послевоенного восстановления инициировали развитие тяжелой промышленности, основанной на гидроэнергетике.

Правительство имеет решающее влияние на планирование и управление производством электроэнергии в Норвегии. Однако аналитические инструменты, предоставленные для анализа экономики энергетики на макроуровне в Норвегии, до сих пор были довольно неудовлетворительными. Существующие макроэкономические модели включают только приблизительное описание энергии в денежном выражении, тогда как отраслевые модели энергоснабжения не учитывают всестороннее экономическое развитие.

Целью представленного ниже проекта является интеграция потоков энергии, как в физическом, так и в денежном выражении, в операционную модель макроэкономического планирования и, таким образом, создание инструментов для отраслевого планирования и общего макроэкономического анализа в единой структуре. На первом этапе проекта мы подчеркиваем долгосрочные отношения между экономическим ростом и производством и использованием энергии. Отправной точкой была существующая многоотраслевая модель роста, называемая моделью MSG. ¹ Эта модель принимает экзогенно данный рост производственного потенциала экономики в целом, резюмированный ростом общей рабочей силы, общего капитала и тенденциями технического прогресса. Основное достоинство модели — ее способность отслеживать долгосрочные траектории роста экономики, особенно распределение труда, капитала и производства по разукрупненному набору отраслей, изменения в моделях потребления домашних хозяйств и развитие в соответствующих равновесных ценах.

По сравнению с моделью MSG несколько частей были изменены или добавлены для обеспечения модели MSG-E, описанной в этом документе. Модель была реструктурирована с учетом пересмотренной отраслевой классификации, чтобы включить новые элементы в моделирование потоков энергии, а также производства и поглощения энергии. Часть затрат-выпуска, основанная на национальных счетах, отслеживает потоки энергии и неэнергетических товаров, измеряемые в постоянных ценах, в качестве ресурсов для отраслей и конечного спроса. Чтобы идентифицировать потоки энергии в физическом выражении, необходимо учитывать разницу в издержках распределения и возникновение ценовой дискриминации.

Производственная сторона модели была разработана для обеспечения возможности замены между различными энергозатратами, а также между энергоносителями и другими вводимыми ресурсами. Для большинства отраслей спецификация производственной структуры в настоящее время основана на неоклассической теории производства. В описании поставки гидроэлектроэнергии в проекте используются расчеты, выполненные Норвежским советом по водоснабжению и электричеству. Результаты используются для оценки функции затрат для сектора производства электроэнергии.Кроме того, модель включает информацию об использовании ресурсов при транспортировке или распределении электроэнергии от электростанций различным пользователям.

Потребительская сторона модели была разработана, чтобы учесть влияние на спрос на энергию из-за изменений в запасах потребительских товаров длительного пользования.

Норвежская национальная система бухгалтерского учета, которая очень точно соответствует новой СНС (см. United Nations, 1968), формирует концептуальную основу модели MSG-E. Модель включает систему бухгалтерского учета, т.е.е. уравнения баланса и определяющие отношения, которые в значительной степени идентичны реальным потокам национальных счетов. Финансовые потоки в настоящее время не включены. Большая часть статистических данных, необходимых для оценки, включая значения за базовый год, предоставляется национальными счетами.

Полное представление технологических и поведенческих отношений внутри домохозяйств и отраслей выходит за рамки управляемой модели. В MSG-E сфокусировано взаимодействие секторов в процессе роста; поведение и технологии внутри секторов представлены довольно просто.Поэтому для дополнения и проверки результатов модели MSG-E на следующем этапе проекта будут разработаны подробные секторные модели.