Сквозное проектирование изделий из листового металла в САРУС ЛМ

Артем Чунихин,
ведущий эксперт, НКК Машиностроение

В данной статье описывается применение модуля САРУС ЛМ для сквозного проектирования изделий из листового металла. Разработчик и правообладатель модуля САРУС ЛМ — ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», входящее в состав Госкорпорации «Росатом». САРУС ЛМ является частью комплекса программ в защищенном исполнении «Система полного жизненного цикла изделий “Цифровое предприятие”». Разработка модуля проводилась при участии специалистов НКК в рамках стратегического партнерства Росатома и НКК.

Введение

В настоящее время изделия из листового металла пользуются высоким спросом в различных отраслях промышленности. Например, значительная часть кузова автомобиля состоит именно из таких изделий. Другие отрасли, такие как приборостроение, производство промышленного оборудования, мебельная, нефтегазовая и т.п., также применяют изделия из листового металла по причине его универсальности (малый вес при требуемых механических характеристиках) и высокой степени пригодности к резке, гибке, сварке. В зависимости от применяемого материала возможно получение достаточно сложных по форме листовых деталей. Такие детали, выполненные единым элементом, заменяют целые узлы и тем самым упрощают сборочное изделие, а также повышают его технологичность. Полуфабрикат в виде листового металла широко используется в массовом производстве, обеспечивая высокую производительность процессов обработки и снижение себестоимости изделия.

Современные CAD-системы позволяют осуществлять параметрическое моделирование изделий, создавать чертежи или аннотированные данные, вносить изменения в описание конструкции и многое другое. Обязательной частью современной CAD-системы является модуль разработки листовых изделий, в силу специфики представляющий собой отдельный набор функций. Важно организовать процесс работы в CAD-модуле, предназначенном для листового металла, таким образом, чтобы пользователь осуществлял разработку с использованием инструментов, учитывающих специфику изделий. Такой подход позволит разработать правильную конструкцию листового изделия, соответствующую требованиям технологических процессов. Например, при построении выреза в листовом теле CAD-система строит стенки выреза так, что в развертке изделие представляет собой плоское тело с боковыми гранями, перпендикулярными базовой плоскости.

Целью данной статьи является описание применения модуля САРУС ЛМ для сквозного проектирования изделий из листового металла.

Особенности моделирования листового металла

Одним из ключевых параметров изделия является толщина листа, которая остается неизменной на протяжении всего процесса проектирования. Обычно этот параметр гораздо меньше ширины и длины листа. Значение толщины задается при создании первого элемента построения и наследуется во всех последующих операциях.

Особенности моделирования листового металла нагляднее всего продемонстрировать на таком важном и распространенном конструкторском элементе, как сгиб. Сгиб может входить в другие более сложные конструктивные элементы. Основные параметры сгиба — радиус и угол. В поперечном сечении область радиуса сгиба условно делится на внутреннюю и внешнюю, при этом внешняя область растягивается, а внутренняя — сжимается. Между ними находится нейтральный слой, который не подвержен изменениям при изгибе (рис. 1).

Рис. 1. Параметры листового изделия с элементами «сгиб»

Положение нейтрального слоя характеризуется КНС (коэффициентом нейтрального слоя), величина которого для металлов варьируется в диапазоне от 0,3 до 0,5. При заданном КНС система автоматически вычислит припуск на участок сгиба — величину, на которую необходимо увеличить размеры развертки относительно согнутой детали. КНС, подбор допускаемых углов сгиба (рекомендуется задавать радиус, который равен толщине листа или превышает ее), а также учет пружинения материала являются важными функциональными характеристиками изделия, от которых зависит процесс моделирования изделия в CAD-системе.

Технологические операции формирования листового изделия могут быть воспроизведены в CAD-системе, а возможность настройки их параметров позволяет учесть максимальное количество факторов будущего производственного процесса. Типовыми операциями обработки листового металла являются гибка, получение развертки для ее последующего раскроя, пробивка отверстий, формирование отбортовок и др. Отбортовки позволяют сделать местные усиления и устранить острые кромки на изделии. Операция пробивки формирует отверстие требуемой конфигурации.

Важным этапом является расчет и моделирование развертки, так как от правильности ее построения напрямую зависит качество изделия. В разогнутом состоянии на детали наглядно видны угловые зоны, в которых при формировании сгиба может возникать концентрация напряжений, приводящая к разрывам металла. Для устранения данного негативного эффекта применяются технологические вырезы различной формы, или ослабления (рис. 2).

Рис. 2. Рекомендуемая форма угловых зон сгибов

Смежные сгибы могут изменяться не только в угловой зоне, но и по всей длине контактирующих ребер (граней) сгибов. Целевая геометрия в таких зонах формируется при помощи операций замыкания углов, которые усекают или удлиняют смежные стороны для получения корректного сопряжения с зазором или без (рис. 3).

Рис. 3. Замыкание угла

Подготовка 3D-модели

Рассмотрим подробно процесс проектирования листовой детали на примере построения изделия — корпуса прибора (рис. 4). Корпус необходимо выполнить из листового металла с отбортованными стенками и другими конструктивными элементами, показанными на рисунке.

Рис. 4. Корпус прибора

В интерфейсе системы для этого потребуется использовать ленту команд листового моделирования, дерево модели, дополнительную панель работы с видами, модельное пространство и манипуляторы для управления параметрами команды (рис. 5).

Рис. 5. Интерфейс модуля Листовой металл

Задание параметров листового материала

На начальном этапе построения конструктор задает основные параметры материала: толщину листа, марку и тип (сталь, деформируемый алюминий и т.д.), а также параметры гибки. Как правило, CAD-система имеет отдельные глобальные настройки параметров по умолчанию для упрощения работы пользователя. Толщина определяет все последующие построения — при проектировании система будет поддерживать постоянство толщины во всей модели. На основе предварительно назначенного материала система автоматически вычисляет рекомендуемый минимальный радиус сгиба (обычно больший или равный по значению толщине) и КНС.

Построение базовой геометрии

Указав основные настройки в файле модели, пользователь осуществляет построение базовых геометрических элементов. Такие элементы удобно создавать на основе эскизов замкнутой или незамкнутой формы. В случае замкнутого эскиза пользователь получает пластину заданной толщины, а в случае незамкнутого — листовую деталь, согнутую по конфигурации эскиза с добавлением скруглений на углах (рис. 6 и 7). Оба данных элемента являются простейшими листовыми изделиями. В некоторых случаях при построении конструктору удобнее создать несколько отдельных базовых листовых тел, которые на каком-то этапе проектирования объединяются переходной геометрией, в результате чего формируется единый геометрический объект сложной формы.

Рис.6. Базовые эскизы

Рис. 7. Базовые элементы

Формирование основного контура детали

Приведем пошаговый сценарий построения делали «Корпус с бортами», который включает множество различных команд листового моделирования (рис. 8, шаги 1-12).

Рис. 8. Последовательность построения детали «Корпус с бортами»

1. Простроить базовый элемент.
2. Достроить одну группу сгибов.
3. Построить еще одну группу сгибов.
4. Достроить внутреннюю группу сгибов.
5. Разогнуть все сгибы и построить вырезы.
6. Согнуть деталь в исходное состояние.
7. Построить еще одну группу вырезов.
8. Отдельно построить листовое тело по открытому контуру.
9. На обоих листовых телах построить сгибы.
10. Объединить листовые тела переходной геометрией.
11. Создать правильное сопряжение контактирующих друг с другом сгибов.
12. На финальном этапе построить сгиб по линии и усиливающий элемент конструкции.

Далее рассмотрим более подробно команды, применяемые для данных построений.

Итоговая деталь приведена на рис. 9.

Рис. 9. Итоговая модель детали «Корпус с бортами»

На основе построенного базового листового тела можно создавать широкий спектр конфигураций изделий, используя две команды: Сгиб и Вырез. Например, для создания простого листового тела коробчатой формы достаточно выделить четыре ребра на исходной пластине и применить команду Сгиб, которая автоматически формирует нужную геометрию путем добавления к листовому телу элемента, состоящего из согнутой области и плоского участка (рис. 10).

Рис. 10. Команда Сгиб

Команда Сгиб имеет большое количество настроечных параметров, среди которых можно выделить следующие: ребро для построения сгиба, радиус и угол сгиба, длина, ширина, а также значение КНС.

Особое внимание стоит уделить формированию сопряжений соседних сгибов. Для этой цели можно использовать дополнительный функционал команды Сгиб или отдельную аналогичную по функциональным характеристикам команду Замыкание углов.

После создания базовой пластины и нескольких групп сгибов результирующее построение детали имеет вид, показанный на рис. 11.

Рис. 11. Итоговая деталь, шаг 4

Альтернативным вариантом построения сгиба является изменение конфигурации существующего листового элемента по выбранной кривой эскиза (рис. 12). Для этого используется команда Сгиб по линии.

Рис. 12. Сгиб по линии, варианты позиционирования сгиба

Обычно изделия содержат в своей конструкции вырезы разных форм. Изделия из листового металла не являются исключением. Причем, учитывая технологические особенности изготовления листового металла, крайне важно (а иногда — обязательно) получать вырезы с перпендикулярными к базовой плоскости стенками. Если вырез служит посадочным местом для другой детали, критически важно выполнить его создание с обеспечением возможности такой установки, что осуществляется точным удалением материала относительно контура выреза (рис. 13).

Рис. 13. Моделирование выреза

Часто возникает необходимость моделирования вырезов в плоском состоянии листового тела. Для этого применяются две команды: Разогнуть и Согнуть снова, которые разворачивают все согнутые участки в плоское состояние, допускают какие-либо построения и возвращают тело в начальное состояние с учетом изменений (рис. 14).

Рис. 14. Последовательность изменения детали

Результирующая геометрия детали после построения вырезов представлена на рис. 15.

Рис. 15. Итоговая деталь, шаг 7

Дополнительные элементы

Для реализации дополнительных построений, обусловленных конструкторскими или технологическими нюансами, CAD-система предусматривает набор отдельных функций.

Для соединения нескольких листовых тел в модели предусмотрена команда Мостик, которая создает переходную геометрию между элементами (рис. 16).

Рис. 16. Мостик

Проектируемая деталь с элементом «Мостик» представлена на рис. 17.

Рис. 17. Итоговая деталь, шаг 10

Как уже упоминалось ранее, обеспечение точной геометрии в местах сопряжения сгибов представляет собой важную задачу при проектировании. Для решения данной задачи можно воспользоваться командами замыкания углов. Пользователю доступно несколько форм сопряжения, а также задание зазора, например под сварку. Подобная функция избавляет пользователя от ручного подгона вырезов на углах (рис. 18).

Рис. 18. Итоговая деталь, шаг 11

Местное усиление кромок конструкции повышения жесткости и снижения травмоопасности при эксплуатации можно обеспечить при помощи команды создания отбортовки (рис. 19). Данная команда достраивает к выбранному ребру один или несколько сгибов предопределенной формы. Пользователь определяет желаемую конфигурацию, после чего либо применяет команду с параметрами по умолчанию, либо уточняет их.

Рис. 19. Варианты отбортовок

Проектируемая деталь с построенной отбортовкой представлена на рис. 20.

Рис. 20. Итоговая деталь, шаг 12

Все эти дополнительные элементы построения повышают качество модели, поскольку готовая 3D-деталь получается максимально приближенной по форме к реальному изделию с учетом особенностей технологии производства.

Создание развертки

Важным результатом разработки модели изделия в CAD-модуле для листового металла является получение развертки — плоской фигуры детали. Для повышения гибкости и уровня автоматизации проектирования развертка должна поддерживать возможность ассоциативного обновления в результате изменений проектных параметров изделия. Также пользователь должен иметь возможность управления элементами модели, отображаемыми на развертке: скрывать их (например, отверстия) или переносить на развертку (например, кривые, созданные на гранях модели). Пример такого управления продемонстрирован на рис. 21.

Рис. 21. Листовое тело и развертка. Прямоугольный контур перенесен с грани модели на развертку, отверстие скрыто

Плоская развертка может использоваться как в виде 3D-модели, так и в виде контура. 3D-модель, как правило, важна при ЧПУ-обработке, если необходимо подготовить производство объемного элемента. Контур развертки в формате DXF часто используется для оптимизации раскроя и передачи на обрабатывающее раскройное оборудование. При создании контура развертки система может учитывать технологический припуск на резку, а также переносить линии сгиба на развертку.

Создание чертежа

На заключительном этапе проектирования пользователь получает ассоциативные чертежи на основе 3D-модели. На формате листа размещаются проекции исходной детали, а рядом — плоская развертка. Удобный инструмент автоматизации на данном этапе — возможность создать таблицу сгибов на чертеже. Такая таблица включает каждый сгиб с его параметрами: угол, радиус, направление (вверх или вниз относительно плоскости развертки), величину КНС. Это значительно облегчает работу технолога при подготовке данных для гибки на станке. Кроме того, на чертеже могут автоматически обозначаться позиционные номера для соблюдения последовательности гибки. Таким образом, применение модуля САРУС ЛМ в высокой степени автоматизирует процесс выпуска КД на листовую деталь.

Результат построения детали с разверткой показан  на рис. 22.

Рис. 22. Итоговая деталь в интерфейсе системы

Пример таблицы сгибов представлен на рис. 23.

Рис. 23. Чертеж и таблица сгибов

Перспективы развития

В рамках дальнейшего развития модуля предполагается расширение функциональных возможностей с учетом потребностей конструкторских, технологических и производственных подразделений. Планируемые направления развития модуля:

• оптимизация раскроя на листе материала для подготовки карты раскроя и сокращения отходов производства;
• моделирование технологического процесса гибки;
• интеграция с функционалом CAM-системы;
• подготовка управляющих программ для плоской и пространственной резки на основе 3D-модели;
• переход на новую модель данных для интеграции модуля с базовым функционалом CAD-системы.

Существуют различные архитектурные подходы к интеграции специализированных функций модуля ЛМ с базовым функционалом CAD. Традиционный подход предполагает дополнительную обработку результатов построений функций листового моделирования в базовых функциях CAD, и наоборот. Данный подход приводит к значительному росту трудоемкости доработки существующих функций и необходимости постоянного контроля за обработкой листовых деталей при разработке новых функций CAD.

В рамках работ по развитию модуля ЛМ, с целью повышения гибкости использования САРУС CAD для конструкторских задач, разработчиками ООО «НКК» была спроектирована принципиально новая модель данных модуля ЛМ. В начале 2025 года осуществлены работы по разработке прототипа модуля на основе новой модели данных, подтверждена гипотеза о возможности использования базовой архитектуры CAD для реализации функционала ЛМ (рис. 24). Новая модель данных обеспечивает унифицированный подход к моделированию, в результате чего пользователь получает возможность составлять сложные комбинации построений из команд ЛМ и основных команд CAD в процессе проектирования изделия. С одной стороны, это обеспечивает полную свободу действий конструктора при реализации его творческих замыслов, с другой — позволяет сохранить целостность базовой архитектуры и существенно снизить издержки на доработку как имеющихся, так и будущих функций CAD-системы.

Рис. 24. Последовательность изменения листового тела

Заключение

Модуль САРУС ЛМ предназначен для автоматизации проектирования изделий из листового металла и обладает следующими ключевыми характеристиками:

1. Технологическая платформа САРУС обеспечивает полный цикл разработки в единой среде без необходимости экспорта/импорта или переключения между отдельными программами.
2. Система позволяет реализовать сквозную параметрическую связь значений начальных проектных переменных с промежуточными операциями построений вплоть до результирующих производственных данных. Это обеспечивает проведение любых изменений в автоматизированном режиме с последующим отображением результатов и на 3D-модели, и на развертке, и на чертежах, что снижает вероятность ошибок и упрощает процесс внесения изменений в конструкцию.
3. Автоматическое создание разверток и чертежей ускоряет процессы проектирования и подготовки производства.
4. Продуманный функционал и удобство интерфейса обеспечивают низкий порог входа для начинающего пользователя CAD-системы.

Таким образом, применение модуля САРУС ЛМ при проектировании изделий из листового металла повышает качество, точность и согласованность конструкторской и технологической документации.