1 - 2004

COPRA Rollform — проектирование роликовой оснастки и оптимизация холодного проката профилей, труб и профнастилов Часть 1. Открытые и асимметричные сечения

Андрей Серавкин

Вам необходимо повысить качество продукции, сократить количество формообразующих клетей и уменьшить расстояние между ними, оптимизировать диаметр роликов, спроектировать оснастку под тот или иной профиль, быстро переналадить стан под новый вид продукции или просто узнать, можно ли изготовить данный профиль при заданных условиях? Тогда посмотрите, как это можно сделать с помощью системы COPRA Rollform!

Начинать статью с рекламных лозунгов не в моих правилах. Но система COPRA Rollform, с которой я ознакомился чуть больше полугода назад, стоит того, чтобы сделать исключение. Интеллект программы, ее возможности в области моделирования процессов холодного проката и проектирования техоснастки — просто вне конкуренции! В первой статье цикла, посвященного этому программному продукту, речь пойдет о процессах проката открытых профилей и сварных труб, получаемых специальными методами гибки из полосы.

Графическим ядром системы COPRA Rollform является AutoCAD. Разработала систему компания data M — OEM-партнер компании Autodesk и, по заявлению последней, предпочтительный поставщик решений в области тонколистового моделирования.

COPRA Rollform включает библиотеку типовых элементов и стандартизованных профилей, встречающихся в изделиях холодного проката

С чего начинается процесс работы? Разумеется, с формирования представления о том, что за изделие нужно получить.

Профиль готового изделия можно разработать несколькими способами:

• во-первых, средствами AutoCAD. Для этого полилинией AutoCAD разрабатывается наружный или внутренний контур изделия либо задается средняя линия профиля, который затем преобразуется в тонколистовой профиль с заданной толщиной листа;

• во-вторых, средствами самой COPRA Rollform. В ее состав включена библиотека типовых элементов и стандартизованных профилей, встречающихся в изделиях холодного проката. Используя элементы библиотеки, можно сформировать любой, даже очень сложный профиль;

• в-третьих, неплохо показало себя применение любых других САПР, обеспечивающих экспорт геометрии в формате DWG/DXF. Мне, например, понравилось использовать в качестве базовой САПР для COPRA Rollform не AutoCAD, а Autodesk Inventor Series. В этом случае COPRA Rollform работает с AutoCAD из комплекта Inventor Series, а Inventor можно задействовать для разработки параметрических профилей и, после оптимизации процесса в COPRA, для создания трехмерных моделей роликов, а также для проектирования станов холодного проката.

Контур профиля может разрабатываться в AutoCAD или в других САПР, например в Autodesk Inventor

Когда готовый профиль получен, система предлагает автоматически рассчитать его развертку — ширину полосы заготовки. При этом можно выбрать метод, по которому будет осуществляться расчет: немецкий стандарт DIN 6935, метод Богоявленского, метод Эйлера, метод средней линии, по таблицам углов гибки и по другим методам, вплоть до ручного задания ширины заготовки.

Когда готовый профиль получен, COPRA Rollform предлагает автоматически рассчитать его развертку — ширину полосы заготовки

Описание изделия и заготовки закончено, теперь нужно описать способ преобразования заготовки в готовый профиль. Сама система не предлагает формообразующих стратегий — это прерогатива инженера. Процесс получения «цветка» развертки (последовательности сгиба радиусов в профиле) получается достаточно длительным и итерационным. И это важнейший из этапов: в зависимости от качества развертки осуществляется более плавная или резкая деформация материала при переходе с клети на клеть, варьируются величина растяжения материала, форма сварной кромки и другие показатели качества профиля.

Каждая итерация получения и оптимизации развертки состоит из трех шагов:

• задание последовательности углов гибки для каждого радиуса профиля;

• задание или изменение параметров стана и оснастки (расстояние между клетями, диаметры роликов);

• анализ деформации профиля в ходе прокатки (определение предельных растяжений профиля с учетом свойств текучести и эластичности материала).

После получения первого варианта развертки, а в нашем варианте он заведомо неидеальный, необходимо провести проектировочный расчет процесса формообразования

Формирование развертки происходит приблизительно следующим образом. Для начала задаем плоскость базирования профиля, которая, как правило, связана с плоскостью базирования заготовки (конечно, можно предусмотреть и весьма экзотические способы формообразования, в том числе с поворотом заготовки на 90° в процессе формообразования). Далее задаются либо последовательности, либо просто углы, на которые необходимо согнуть или разогнуть указанные радиусы изделия.

Расчет учитывает такие показатели процесса, как свойства материала (толщина, предел текучести и модуль Юнга), формообразующее расстояние, геометрия в зоне формообразования и диаметры роликов

При этом разные радиусы могут гнуться параллельно за один проход или в разные проходы — все зависит от выбранной инженером стратегии формообразования. После получения первого варианта развертки, а в нашем варианте он заведомо неидеальный, необходимо провести проектировочный расчет процесса формообразования. В основу проектировочного расчета COPRA Rollform положена разработанная компанией data M методика анализа деформаций (модуль DTM — Deformation Technology Module), а эта методика, в свою очередь, базируется на методе конечных элементов и проверена десятилетними экспериментальными исследованиями, проводившимися разработчиком.

Перед формированием результатов система рассчитывает реальные формообразующие расстояния между клетями

Расчет принимает во внимание такие показатели процесса, как свойства материала (толщина, предел текучести и модуль Юнга), формообразующее расстояние, диаметры роликов и геометрия в зоне формообразования. Поэтому перед запуском расчета необходимо задать параметры стана: количество клетей, расстояние между ними, диаметры роликов. Свойства материала берутся из параметров изделия. В процессе расчета COPRA Rollform может учитывать пластические деформации и обратное пружинение материала, что повышает достоверность результата. Мой личный опыт показывает, что для одного и того же изделия результаты расчета с учетом пластической деформации и обратного пружинения различаются в 1,5-2 раза — именно во столько раз после прохождения очередной формообразующей клети повышается реальная деформация материала.

В нашем примере первый вариант развертки был крайне неудачным: при формировании верхней полки процент растяжения составил почти 2500%, что равносильно мгновенному разрыву

Перед формированием результатов система рассчитывает реальные формообразующие расстояния между клетями. Если формообразующее расстояние больше расстояния между клетями, в расчет принимается последнее.

Результат расчета выдается в виде поверхностной конечно-элементной сетки, где отражены реальные деформации материала (они замеряются стандартными средствами AutoCAD) и зоны взаимодействия с роликами (с указанием действующих нагрузок). На гистограмме или линейчатой диаграмме показывается процент растяжения-сжатия материала на расстоянии с момента начала проката (от первой формообразующей клети). При этом на оси Х может отображаться как абсолютное расстояние, так и порядковые номера клетей.

Результаты экспериментов, проведенных Институтом производственного и формообразующего оборудования, подтверждают высокую достоверность результатов анализа COPRA Rollform DTM

В нашем примере первый вариант развертки был крайне неудачным: при формировании верхней полки процент растяжения составил почти 2500%, что равносильно мгновенному разрыву. Соответственно требуется менять стратегию получения развертки, а может, и параметры инструмента и стана.

Даже при отсутствии опыта работы итерационный процесс оптимизации развертки требует не так уж много времени. Для получения результата, который нас устроил, в данном примере пришлось потратить всего 10 мин. За это время были проработаны и проверены пять стратегий получения развертки

За счет оптимизации развертки, изменения расстояния между клетями и увеличения диаметров роликов нам удалось уменьшить растяжение материала почти в 2500 раз, и это при отсутствии серьезных профессиональных знаний в области процессов холодного проката

Точность полученных этим методом результатов подтверждена экспериментальными данными немецких исследовательских институтов (в частности, Института производственного и формообразующего оборудования1), а также сравнением результатов, полученных с помощью модуля DTM и системы конечно-элементного анализа MSC.Marc. Результаты, получаемые с применением проектировочного расчета COPRA Rollform, подчеркивают те же самые проблемные места и порядок деформации материала, которые выявляются при конечно-элементном анализе или при экспериментальных исследованиях (тестовых прогонах). Погрешность расчета в сравнении со статистикой экспериментальных данных составляет доли процента, а его скорость выше на несколько порядков, чем при использовании метода конечных элементов. Расчет одной и той же модели в системе COPRA Rollform FEA (модуль COPRA Rollform на базе MSC.Marc) занимает от нескольких часов до нескольких суток, а в модуле DTM — от нескольких секунд до нескольких минут. В то же время модуль DTM может применяться как препроцессор для системы конечно-элементного анализа, который формирует исходные данные и готовит расчетную схему.

Применение подобного метода расчета на стадии проектирования позволит устранить серьезные проблемы, связанные с процессом формообразования, повысить качество продукции и сэкономить средства, которые расходуются на выполнение тестовых прогонов, переналадку и доработку оснастки.

Процесс оптимизации развертки ведется исходя из двух критериев. Первый — это теоретически допустимый процент растяжения, который отражается на графике красной горизонтальной линией. Этот параметр рассчитывается на основании исходных данных по материалу. Идеален вариант, когда показатели растяжения на всех клетях ниже красной линии. Такое возможно не всегда: у любого предприятия есть ограничения по количеству клетей, по возможным расстояниям между ними, по допускаемым диаметрам роликовой оснастки и по применяемым материалам. А вместе с тем произвести профиль надо и при неидеальных условиях. Исходя из практического применения COPRA Rollform заходить за красную линию можно, но при этом следует так оптимизировать «цветок» развертки, чтобы процент растяжения на всех клетях был приблизительно одинаковым. Это позволит снизить максимальный процент, устранить «рывки» в процессе растяжения материала и, что самое главное, обеспечить плавное формообразование, а cледовательно, повысить качество готового профиля и минимизирует энергетические затраты процесса формообразования.

Допустим, мы будем проводить оптимизацию исходя из ограничения максимального количества клетей (21 шт.). Даже при отсутствии опыта работы итерационный процесс оптимизации развертки требует не так уж много времени. Для получения результата, который меня устроил, в этом примере мне пришлось потратить всего 10 мин. За это время были проработаны и проверены пять стратегий получения развертки. А максимальный процент растяжения удалось сократить почти в 450 раз! Хотя он по-прежнему достаточно высок — 5,56%. Дополнительно уменьшить его можно, варьируя диаметры роликов и расстояния между клетями. И то и другое реально при условии, что это позволяют площадь цеха и возможности изготовления подобной оснастки. Увеличиваем в полтора раза диаметры роликов и расстояние между клетями, в результате получаем четырехкратное уменьшение деформации материала. За счет дополнительной оптимизации цветка развертки наверняка можно будет сократить процент растяжения до одного…

В следующей статье: COPRA Rollform — проектирование и оптимизация холодного проката профнастилов и роликовой оснастки

 


1Institute of Manufacturing and Forming Machines (PTU) of the Technical University of Darmstadt.

«САПР и графика» 1'2004