Разработка и анализ лицевых панелей автомобиля ВАЗ-1118 с использованием PowerSOLUTION и AutoFORM

Технологический анализ вытяжного перехода деталей с помощью AutoFORM

Схема процесса проектирования и изготовления наружных панелей

Разработка и анализ схемы технологических переходов

Технологический анализ вытяжного перехода наружной панели багажника

Анализ качества геометрии получаемых деталей на основе моделирования пружинения детали

Технологический анализ вытяжного перехода наружной панели капота

Разработка управляющих программ для станков с ЧПУ в пакете PowerMILL

Контроль качества

Мы продолжаем публиковать работы, занявшие призовые места на ежегодном конкурсе студенческих работ, проводимом в России компанией Delcam plc. На этот раз мы предлагаем читателям ознакомиться с выдержками из работы студента Тольяттинского государственного университета Дмитрия Костюхина, выполненной под руководством А.В.Скрипачева и при поддержке фирмы «Делкам-Самара» (г.Тольятти).

При производстве пресс-форм и штампов очень большое внимание уделяется качеству изготовления и скорости проектирования лицевых панелей автомобилей, изготавливаемых методом холодной штамповки. Не вызывает сомнения тот факт, что для получения качественной детали необходимо создавать качественную оснастку и применять передовые технологии проектирования. Большую помощь при проектировании и изготовлении штамповой оснастки со сложной формой оказывает программный комплекс PowerSOLUTION фирмы Delcam plc, который совместно с продуктом AutoFORM позволяет решать множество задач.

До недавнего времени при изготовлении штамповой оснастки возникало очень много проблем, связанных с контролем качества изделий. Это приводило к тому, что деталь, пройдя весь технологический цикл, в итоге не соответствовала предъявляемым к ней требованиям. При выяснении причин этого мы обнаружили, что основные проблемы возникают из-за недостаточного внимания к вопросам качества изготовления оснастки на всех этапах ее производства.

Целью представленной работы является снижение себестоимости изготавливаемых изделий «Наружная панель багажника» и «Наружная панель капота» автомобиля ВАЗ-1118, а также сокращение сроков подготовки производства за счет внедрения и использования аналитических программных продуктов и обработки на станках с ЧПУ.

Развитие производства автомобилей потребовало выделения производства кузовных деталей из общего объема листовой штамповки в обособленную часть технологии. Характерной особенностью кузовных конструкций является их относительно малая жесткость, большие размеры и сложность пространственных форм деталей. Основными элементами в конструкции кузовов автомобилей являются крупные облицовочные или внутренние кузовные детали, практически не различающиеся по своим технологическим характеристикам.

К облицовочным деталям предъявляются такие требования, как высокое качество поверхности; соответствие размеров и формы детали математической модели, малые упругие деформации, технологичность и собираемость.

Основной технологической операцией для облицовочных деталей, при которой они приобретают свою основную форму, является вытяжка. Формообразование облицовочных деталей обычно производится за одну вытяжную операцию, а при последующих операциях (правочные операции) достигается окончательная форма детали.

Возможность штамповки облицовочных деталей обычно определяется возможностью осуществления вытяжки. Формообразование облицовочных деталей посредством вытяжки подразумевает дополнительный расход металла на технологические припуски. Формообразование облицовочных деталей при вытяжке зависит от глубины и формы детали, от ее положения в штампе, от величины технологических припусков, от формы и положения прижимной поверхности, от способа торможения фланца, от типа пресса и смазки.

Качество поверхности облицовочных деталей обеспечивается следующими факторами:

• чистотой обработки рабочих поверхностей основных деталей вытяжного и прочих формообразующих штампов (пуансон, матрица, прижим, выталкиватель);

• созданием при вытяжке условий, при которых распределение напряжений в вытяжном переходе соответствует требуемым условиям формообразования отдельных участков;

• применением сталей, обеспечивающих высокую степень напряженных деформации при вытяжке, с маркировкой «ОСВ» и «ВОСВ»;

• вальцовкой заготовок перед вытяжкой в целях устранения так называемой апельсиновой корки — полос скольжения.

Размеры и форма деталей зависят от правильных размеров и формы рабочих деталей штампа, устойчивой фиксации деталей в штампе, совмещения нескольких операций в одном штампе, а также от правильного построения техпроцесса штамповки и конструкции штампа.

Устранение упругих деформаций, возникающих после обрезки вытяжных переходов, достигается при вытяжке доведением напряжений растяжения в каждой точке перехода до предела, позволяющего свести упругие деформации после разгрузки (обрезки) к минимуму, или введением в конструкцию детали ребер жесткости.

Технологичность облицовочных деталей улучшается за счет придания деталям более благоприятной для вытяжки формы путем уменьшения и выравнивания глубины вытяжки, придания более плавной формы деталям, скругления резких выштамповок и сопряжений, которые доформовываются на операции правки. Общим показателем технологичности конструкции является наименьшая себестоимость детали.

При конструировании облицовочных деталей необходимо предусмотреть следующее:

• минимально возможную глубину формообразования;

• максимально возможные радиусы сопряжения вертикальных стенок детали с дном и фланцами;

• максимально возможные радиусы сопряжения боковых стенок (в углах), образующих контур вытяжного перехода детали в плане;

• ребра жесткости и фланцы на внешнем контуре деталей пологой формы и небольшой глубины;

• объединение двух деталей в одну или разделение детали на две или три части для лучшей вытяжки;

• придание отдельным участкам детали более плавной формы.

Наружные панели капота и багажника автомобилей марки ВАЗ не отличаются большим разнообразием. Традиционная форма этих деталей представляет собой пологую криволинейную поверхность с неглубокими выштамповками, в большинстве случаев направленными внутрь детали. Характерная особенность капота и багажника — незначительная степень деформации металла при вытяжке в силу их малой кривизны: относительное удлинение в отдельных зонах детали не превышает 2-3%, а на большей части поверхности оно составляет менее 1%.

В отличие от других облицовочных деталей, где, как правило, уменьшают глубину вытяжки, в панелях капота и багажника, наоборот, одним из основных условий при построении вытяжного перехода является создание искусственной глубины вытяжки за счет технологических припусков. К этим деталям предъявляются исключительно жесткие требования в части «спаривания» с внутренними панелями и по периметру с деталями, образующими проемы моторного и багажного отсеков автомобиля. Даже незначительные отклонения в размерах детали приводят к дополнительной трудоемкой работе, связанной со спариванием поверхностей.

Перечислим возможные способы разработки вытяжных переходов:

• построение вытяжных переходов по гипсовой модели матрицы вытяжного штампа;

• построение вытяжных переходов по чертежу детали;

• построение вытяжных переходов по образцу детали, изготовленной в экспериментальном цехе;

• построение вытяжных переходов по математической модели детали.

Вытяжные переходы разрабатывают в следующей последовательности: выбирают способ разработки вытяжного перехода, затем находят правильное положение детали в штампе, после чего определяют величину и положение технологических припусков. Далее определяют необходимость наличия технологических вырезов, их число, место расположения и размеры, а также отрабатывают прижимную поверхность вытяжки. Затем выбирают форму тормозных элементов, их число, место расположения и, наконец, способ фиксации вытяжного перехода в штампе на обрезной и других операциях.

Анализ штампуемости вытяжного перехода производят с помощью пакета AutoFORM и при необходимости по результатам анализа производят необходимые изменения.

Технологический анализ вытяжного перехода деталей с помощью AutoFORM

Пакет AutoF orm является специализированным программным обеспечением для оптимизации технологического процесса листовой штамповки. Он был разработан специально для анализа операций глубокой вытяжки и гибки с вытяжкой, применяемых в автомобильной промышленности.

При моделировании процесса штамповки AutoF orm производит автоматическую адаптацию сетки в процессе анализа, что позволяет точно описать геометрию и получить точные результаты.

При моделировании процесса штамповки AutoF orm дает возможность определить:

• состояние заготовки после закрытия прижима;

• возможные зоны разрывов в процессе пошагового анализа;

• тенденцию к гофрообразованию, зоны с гофрами;

• зоны недостаточного натяжения;

• процесс формообразования;

• величину относительного утонения и утонения с приращением;

• высоту гофров;

• тенденцию к обратному пружинению готовой детали.

Визуализация данных включает различные способы для эффективной и интуитивной интерпретации результатов моделирования технологического процесса, например цветные графики «заливки» результатов, таких как толщина, критерии повреждения для разрывов и гофров, перемещений при пружинении, цветовая визуализация, позволяющая обозначить высоту гофров, а также интуитивная визуализация качественной оценки штампуемости с зонами разрывов, опасности разрывов, безопасной зоной, зоной недостаточного натяжения, зоной возможных гофров.

Одним из достоинств AutoF orm является возможность анимации процесса штампуемости, который позволяет сделать оценку того, когда и в какой момент времени начинают образовываться гофры или происходит разрыв детали.

Схема процесса проектирования и изготовления наружных панелей

1. Проектирование детали в трехмерной системе моделирования (например, в PowerSHAPE) и выпуск чертежной документации (рис. 1 и 2).

2. Разработка схемы технологических переходов в трехмерной системе моделирования PowerSHAPE и выпуск чертежной документации (рис. 3 и 4).

3. Анализ математической модели вытяжного перехода в ПО AutoF orm (рис. 5 и 6).

4. Разработка математических моделей штампов в PowerSHAPE на основе технологического анализа в системе AutoForm.

5. Выпуск чертежной документации (рис. 7).

6. Расчет габаритов заготовки ППС моделей с учетом припуска под механическую обработку.

7. Разработка управляющих программ для станков с ЧПУ в PowerMILL для обработки ППС моделей формообразующих частей штампа.

8. Изготовление ППС моделей на станках с ЧПУ.

9. Контроль ППС моделей на соответствие математической модели с учетом припуска.

10. Литье заготовок с использованием ППС моделей.

11. Разработка управляющих программ для станков с ЧПУ в PowerMILL для формообразующих частей штампа.

12. Обработка рабочих частей штампов.

13. Контроль сложной формообразующей поверхности штампа на соответствие математической модели технологического перехода.

14. Доработка рабочих частей оснастки (при условии, что отклонения не укладываются в поле допуска).

15. Изготовление (сборка) штамповой оснастки.

16. Монтаж и наладка штамповой оснастки.

17. Контроль полученного технологического перехода.

18. Дополнительная наладка, доработка (при контрольных отклонениях вне допусков).

Разработка и анализ схемы технологических переходов

В качестве наиболее наглядного примера далее приведен технологический процесс изготовления панели багажника, который состоит из следующих технологических переходов, разработанных для традиционного оборудования:

Оп. 10: Вырубка заготовок

Оп. 20: Гибка заготовок

Оп. 30: Вытяжка

Оп. 40: Обрезка первая

Оп. 50: Обрезка, пробивка

Оп. 60: Фланцовка первая

Оп. 70: Фланцовка вторая

Оп. 80: Клиновая пробивка

Оп. 90: Контроль

Панель капота также имеет ряд интересных особенностей, на которых мы остановимся особо.

Проектирование схемы технологических переходов для деталей, получаемых с использованием вытяжного процесса, всегда начинается с разработки самог о вытяжного перехода. Первоначально производится анализ базового угла поворота в положении для операции 30 — вытяжка относительно положения детали в автомобиле.

Критерии анализа базового угла поворота следующие:

• в форме детали не должно быть местных поднутрений, то есть пуансон должен свободно входить и выходить из матрицы;

• глубина вытяжки должна быть минимальной, равномерной и достаточной для натяжения лицевой поверхности;

• металл в начальный момент времени вытяжки должен иметь наименьшую поверхность соприкосновения с пуансоном;

• течение металла из-под прижима должно быть равномерным для различных участков перехода;

• обтяжка заготовки желательна по пуансону.

После проведения анализа поднутрений для положения детали на Оп. 30: Вытяжка (рис. 8) выбирается угол разворота относительно положения детали в автомобиле — 40°. Полученный угол определяет оптимальное и равномерное положение детали в процессе вытяжки. Для улучшения натяжения продольных и поперечных сечений используются перетяжные ребра, пороги и валики.

Одним из наиболее часто применяемых при вытяжке облицовочных деталей приемов является выполнение на вытяжном пуансоне технологических выступов (валиков). Валики способствуют улучшению качества отдельных участков детали за счет создания дополнительного натяжения металла в зоне дефектов лицевой поверхности (гофр, провалов, складок). Одним из основных назначений валиков следует считать создание равномерного первоначального контакта пуансона с заготовкой вследствие выравнивания резких перепадов глубины по периметру детали и приближения формы поверхности пуансона к форме поверхности заготовки, зажатой прижимом.

В данном вытяжном переходе необходимо ввести технологическую надстройку, состоящую из припуска на валики по боковым границам вытяжного перехода (расположенных на пуансоне) для улучшения условий вытяжки и четырех ребер на прижимной поверхности для увеличения натяжения метала (рис. 9 и 10).

Исходя из размеров спроектированного вытяжного перехода, можно при помощи средств пакета AutoF orm определить форму исходной заготовки. Для этого производится анализ вытяжного перехода с целью определения его площади, длин образующих, наибольшего продольного и поперечного сечений и по полученным результатам с высокой точностью определяются размеры и форма исходной заготовки. Поскольку деталь в плане имеет несколько трапецеидальную форму, то в целях экономии материала и для распределения и уменьшения напряжений в угловых зонах (во избежание разрывов и складок) после анализа была выбрана форма заготовки, имеющая вырезы с радиусными зонами (рис. 11).

Для более надежной фиксации заготовки, уменьшения глубины вытяжки и нормализации процесса заготовку предварительно гнут по приближенной линии перелома полок багажника под углом 120°.

Контур обрезки с запасом под высоту фланца необходимо разбить на две операции, причем вторая из них — операция обрезки — совмещена с пробивкой отверстий, расположенных в горизонте этой операции. Разделение операций обрезки производится для того, чтобы сделать обрезаемый контур более точным и доступным (неподнутренным).

Максимальный угол наклона обрезаемой полки составляет 20° относительно горизонта операции обрезки при расположении контура обрезки продольно на скате, что предотвращает образование заусенцев и преждевременный износ инструмента. Посредством анализа для первой операции обрезки (Оп. 40) был выбран угол разворота относительно автомобильной системы координат, равный 48° (рис. 12).

Для уменьшения числа штамповой оснастки на второй операции обрезки благоразумно ввести пробивку первой группы отверстий, отклонения которых соответствуют полю допуска в положении Оп. 50. Положение Оп. 50 выбирается из тех же соображений, что и для обрезки первого контура, и угол разворота относительно системы автомобиля составляет 12°. Для беспрепятственного удаления отхода в лотки пресса на операции обрезки предусмотрены разделительные ножи, которые делят крупногабаритный отход на части (рис. 12 и 13).

Во избежание образования заусенцев и для получения более точного контура в местах наложения двух операций обрезки предусмотрен технологический вырез на поверхности фланца, ввиду своих незначительных размеров не влияющий на форму последнего. Вырез получают на первой обрезке, так как контур линии обрезки очень сложно «поймать» на пересечений двух операций обрезки вследствие отклонения обрезного инструмента первой операции от инструмента второй в пределах от 0,5- 1 мм .

Технологический анализ вытяжного перехода наружной панели багажника

На рис. 14 показан процесс штамповки в момент закрытия прижима. Видно, что при закрытии прижима заготовка приняла плавную изогнутую форму, что характерно для положительного процесса вытяжки, то есть не происходит образования изломов, резких изгибов, которые чреваты образованием разрывов и гофр.

На рис. 15. показана диаграмма предельных деформаций для материала 08ЮОСВ-I, на которой изображено облако точек, распределенных по поверхности вытяжного перехода. Каждая точка имеет свое пространственное перемещение относительно поверхности заготовки — это видно из распределения облака точек на диаграмме. Облако точек на диаграмме предельной штампуемости в основном формируется в области сжато-растянутого состояния и не выходит за границы диаграммы, что означает отсутствие разрывов.

Изображенный на рис. 15 вытяжной переход имеет окончательную форму и характеризуется величиной утонения в пределах от -0,3 до 0,1 мм . Как видно из рисунка, утонение по всей форме детали не превышает допустимых 30% при толщине металла 0,9 мм .

При моделировании процесса вытяжки в AutoF orm Incremental требуется найти величину оптимального натяжения заготовки. Величина такого натяжения достигается комбинированным воздействием прижима заготовки на фланце, натяжением при деформации металла через перетяжные ребра, а также воздействием технологической надстройки. При полученном результате формообразования можно судить о том, насколько удачен разработанный вытяжной переход. На рис. 16 изображен конечный результат анализа детали. Как видно, основная поверхность в пределах линии обрезки окрашена в зеленый цвет («цельная поверхность»), то есть на технологическом этапе вытяжки получено годное изделие. Все поверхности, находящиеся за пределами контура обрезки, идут в отход, так что качество полученной в этой области поверхности значения не имеет.

Как видно из рис. 17, зоны гофрообразования находятся на прижимной поверхности и на технологической надстройке вне зоны поверхности детали, поэтому они не влияют на качество изделия.

Расчет и моделирование операций обрезки с целью нахождения линии обрезки, которая удовлетворяет получению фланцев необходимой высоты, производятся в модуле TRIM.

Анализ качества геометрии получаемых деталей на основе моделирования пружинения детали

Оценим качество получаемого изделия на основании проверки пружинения. На рис. 18 представлены поля нормальных смещений изделия после операций вытяжки и обрезки.

Наличие валика и дополнительного радиуса кривизны в технологической надстройке приводит к более благоприятному распределению остаточных напряжений, что снижает пружинение детали и повышает качество сборки автомобиля. Как видно из рисунка, величина нормального смешения по спектрограмме лежит в пределах -2- 2 мм.

Величина пружинения в системе AutoFORM подчеркивает тенденцию к нормальному смещению облака точек в определенной области перехода относительно модели изделия. По нашим оценкам, точность определения пружинения в настоящий момент не превышает 40%.

Технологический анализ вытяжного перехода наружной панели капота

Особенностью наружной панели капота является то, что эта деталь за счет недостаточной глубины наиболее расположена к деформациям упругого пружинения и к недостаточному распределению остаточных деформаций. В результате данная деталь может получиться недостаточно упругой (образование «хлопунов») — этот дефект устраняется путем организации прижимной системы с кривизной в одном направлении, а не в двух, как это обычно делается.

Как видно из рис. 19, натяжение заготовки в процессе вытяжки происходит равномерно, по направлениям из центра детали (обтяжка по пуансону), что указывает на достаточное натяжение основной поверхности детали и отсутствие дефектов лицевой поверхности детали — об этом свидетельствует диаграмма предельных деформаций (рис. 20). Из диаграммы видно, что процесс вытяжки равномерно распределен в области сжато-растянутого состояния точек.

Такой дефект, как гофрообразование (рис. 21), имеет место лишь в углах и в передней части вытяжного перехода в области технологической надстройки, что абсолютно не препятствует получению качественного изделия.

На рис. 22 представлен результат оценки утонения вытяжного перехода. В целом относительная величина утонения имеет незначительные значения, за исключением наклонных стенок и радиусов технологической надстройки, которые на последующих операциях обрезки уйдут в отход.

В большинстве наружных деталей просматривается тенденция к обратному пружинению после снятия с инструмента вытяжного перехода. Это обусловлено тем, что в процессе вытяжки образуются зоны с недостаточным пределом деформации металла. В данном случае эти зоны распределены по поверхности детали и имеют различные величины, в основном лишь незначительно отклоняющиеся от формы (рис. 23).

Таким образом, можно констатировать, что полученный вытяжной переход спроектирован вполне удачно. Правда, сегодня еще не существует ПО, которое на 100% способно рассчитать эффект обратного пружинения, поскольку данный процесс слишком сложен, неоднороден, а соответственно — непредсказуем. Но, как уже говорилось, можно с уверенностью определить тенденции отклонения отдельных участков поверхности.

Разработка управляющих программ для станков с ЧПУ в пакете PowerMILL

Процесс изготовления таких деталей, как наружные панели капота и багажника, — весьма трудоемкий ввиду их значительных габаритов, но менее сложен в плане разработки управляющих программ.

В ПО PowerMILL можно разработать траектории режущих путей инструмента для станков с ЧПУ практически любой сложности. Пакет включает несколько вариантов траекторий для черновой обработки и множество вариантов для чистовой, что расширяет возможности фрезерования. Обработка производилась на высокоскоростном оборудовании MODUMILL.

Контроль качества

В данной работе замеры производились на контрольно-измерительной машине MORA и с помощью контрольного приспособления ROMER. В целом замеры штампового инструмента показали вполне удовлетворительный результат (рис. 24). Доработки рабочих частей не потребовалось.

Отметим, что пакет PowerINSPECT, установленный в ноутбуке совместно с КИМ ROMER, представляет собой превосходный мобильный и компактный контрольно-измерительный комплекс, работающий под управлением всего одного человека — контролера. В условиях цеха такой комплекс оказывается незаменимым для контроля изготовления штамповой оснастки, поскольку перемещение только что обработанных рабочих частей крупногабаритного вытяжного штампа с производственного участка на участок контроля трудоемко и отнимает много времени.

«САПР и графика» 1'2005