Изготовление оснастки для отделочных материалов из пенополистирола

Александр Агеев

Этапы выполнения проекта

Проектирование формовочной оснастки в системе PowerSHAPE

Технологическое проектирование в системах ArtCAM и PowerMILL. Обработка штампов для потолочных плиток

Заключение

В настоящее время для внутренней отделки помещений применяют детали из пенополистирола. Большой популярностью на рынке строительных материалов пользуются клеевые декоративные плитки и плинтусы, с помощью которых можно не только быстро и качественно выровнять поверхности потолков, но и украсить интерьеры жилых и служебных помещений. Кроме того, отделочные материалы из пенополистирола недороги и выпускаются как отечественными, так и зарубежными производителями.

Представленный вниманию читателей проект выполнен в Иркутском государственном техническом университете совместно с фирмой «Восточно-Сибирский центр CAD/CAM-технологий» по заказу ООО «Полиформ» (г.Ангарск) и основан на сквозной технологии изготовления двух типов технологической оснастки для формовки строительных материалов из пенополистирола:

• потолочных плиток , которые получают на специальном прессе горячей штамповкой предварительно нарезанных плоских заготовок 500x500x5 мм. При этом глубина декоративного рельефа на плитках равна 2 мм;

• плинтусов , которые получают спеканием гранулированного пенополистирола на инжекторной машине с помощью многопозиционных форм в среде горячего пара.

В зависимости от специфики изготовления представленных изделий проект разделен на три основных этапа. Первые два охватывают конструкторские решения по разработке дизайна изделий и формовочной оснастки для их серийного производства. На третьем этапе производится технологическая подготовка производства основных элементов форм.

Этапы выполнения проекта

Проектирование штампов для потолочных плиток с помощью системы ArtCAM

Дизайнерские идеи, возникшие в процессе моделирования потолочных плиток, удалось в полной мере реализовать инструментальными средствами системы ArtCAM. Программа помогла создать как правильные геометри ческие формы в виде орнаментов, так и хаотично расположенные элементы наподобие мазков кистью, раковин, текстур и пр.

Моделирование орнаментов на плитках мы начали с построения сплайновых кривых на плоскости. Используя инструменты редактирования и трансформации кривых Безье, нам удалось создать сложное векторное изображение, представленное на рис. 1. Полученные кривые мы использовали для формирования объемного рельефа. Вычисление элементов рельефа было выполнено заданием формы профиля для области внутри замкнутого контура и вращением образующей кривой вокруг центральной точки (рис. 2 и 3).

Наиболее трудоемкими в плане объемного моделирования оказались произвольные геометрические формы. Для их построения потребовалось детально проработать каждый кубический миллиметр модели в режиме реального времени, имитируя работу скульптора. При этом были задействованы все инструменты модуля Interactive Sculpting: наращивание, удаление, замазывание и сглаживание участков рельефа (рис. 4 и 5).

Для получения моделей штамповой оснастки рельефы потолочных плиток были инвертированы по технологии «образец—слепок».

Конструирование оснастки для изготовления плинтусов на инжекторной формовочной машине. Моделирование плинтусов в системе ArtCAM

Поскольку плинтусы изготавливают на инжекторной формовочной машине спеканием гранулированного полистирола, то требования к технологической оснастке, а именно к геометрии ее формообразующей поверхности, — не такие, как для потолочных плиток, получаемых горячей штамповкой. Для данного вида изделий можно значительно увеличить высоту рельефа и уменьшить угол уклонов вертикальных стенок.

Модели плинтусов мы создали в системе ArtCAM, используя при этом различные конструкторские решения. Поскольку орнаменты на плинтусах мы выбрали циклически повторяющимися, то, получив один фрагмент узорного рельефа, мы размножили его на требуемую длину плинтуса — 1010 мм .

При создании моделей мы учитывали коэффициент усадки пенополистирола, среднестатистическое значение которого равно 1%.

Базовый профиль для каждого плинтуса был получен вытягиванием образующей кривой вдоль направляющей линии. Орнаментные элементы плинтусов построены различными способами и собраны в общие композиции путем сложения, вычитания и объединения по наибольшей высоте (рис. 6). В процессе моделирования нередко приходилось копировать объекты, отображать зеркально, смещать эквидистантно и выполнять другие функции трансформирования.

Для формирования сложных орнаментов мы использовали динамическое вытягивание начального образующего контура к конечному вдоль двух направляющих кривых. При этом мы задавали как линейные, так и нелинейные законы построения. Следует отметить, что нелинейность, определяемая вектором модуляции, раскрывает широчайшие возможности геометрического моделирования. Наглядно это продемонстрировано на модели плинтуса № 4 (рис. 7 и 8).

Для получения сложных переходов не только вдоль рельефа, но и по всему поперечному сечению теоретически необходимо задать несколько образующих кривых. Однако вследствие ограничения в системе ArtCAM этого количества значением «2» (начальный и конечный контур) мы разработали целую технологию разбивки направляющих кривых на фрагменты и привязки к каждому такому участку по паре образующих контуров. При этом форма конечного образующего контура i -го участка совпадала с формой начальной образующей (i+1) -го участка, а вектор модуляции для каждого фрагмента был назначен индивидуальный. Результат моделирования представлен на рис. 8.

Проектирование формовочной оснастки в системе PowerSHAPE

После разработки дизайна плинтусов и построения художественных рельефов их лицевой стороны в системе ArtCAM мы перешли к проектированию в системе PowerSHAPE формовочной оснастки для экструзионной машины. Данная установка была укомплектована формовочной камерой для другого вида продукции, поэтому конструкторско-технологическое решение по изготовлению формовочной камеры для плинтусов было возложено на нас. Изучив технические характеристики и конструктивные особенности установки, мы пришли к выводу, что для увеличения рентабельности производства плинтусов форму целесообразно спроектировать двенадцатиместной, причем формообразующие вставки лучше сделать съемными с размещением на каждой из них по два плинтуса, развернутых на угол 45° (рис. 9). Такое решение сокращает стоимость изготовления оснастки и делает ее технологичной, позволяя оперативно менять модельный ряд плинтусов в зависимости от конъюнктуры рынка.

Для равномерного заполнения полостей форм полистиролом мы выбрали горизонтальную компоновку плинтусов. Поверхность разъема матрицы и пуансона формовочных вставок относительно торцовой поверхности плинтуса была спроектирована с помощью кривой поперечного сечения рельефа из системы ArtCAM. Для ее получения мы воспользовались специальной функцией Create cross section, которая ранее нами не использовалась.

Технологическое проектирование в системах ArtCAM и PowerMILL. Обработка штампов для потолочных плиток

Технологическая подготовка производства элементов штамповой оснастки для потолочных плиток была выполнена в системе ArtCAM. Проанализировав функциональные возможности модуля механообработки ArtCAM, мы пришли к выводу, что их вполне достаточно для обработки спроектированных штампов.

Инвертированные рельефы с хаотичными орнаментами в виде мазков кистью и раковин (см. рис. 4 и 5) оказались наиболее трудоемкими. Механическая обработка этих деталей заняла порядка 45 часов станочного времени. Из-за неизменной насыщенности моделей мелкой деталировкой чистовую обработку решено было производить в один технологический переход (рис. 10) цилиндросферической фрезой диаметром 3 мм по растровой стратегии с межстрочным шагом 0,3 мм. Попытка доработки углов после фрезы большего диаметра в данном случае оказалась нерациональной из-за огромного количества вспомогательных движений инструмента.

Напротив, чистовую обработку инвертированного рельефа, представленного на рис. 3, удалось разбить на несколько технологических переходов. Во-первых, были обработаны плоские участки рельефа концевой фрезой диаметром 20 мм на двух уровнях высот Z = 27,3 мм и Z = 28 мм. В местах, где данный инструмент недоработал углы, мы применили 2D-доработку концевыми фрезами диаметром 3,0 и 1,5 мм (рис. 11). Во-вторых, мы обработали поверхности двойной кривизны цилиндросферической фрезой диаметром 6 мм , обозначив границы рабочих перемещений инструмента соответствующими контурами (рис. 12). Затем, используя функцию 3D-доработки углов, мы выполнили доработку недорезанных участков цилиндросферической фрезой диаметром 1,5 мм (рис. 13). Визуализация механической обработки штампа для декоративных потолочных плиток представлена на рис. 14.

Заключение

В результате выполнения данного проекта нам удалось решить комплексную задачу конструкторско-технологической подготовки производства оснастки для формовки декоративных строительных материалов из пенополистирола. Для ее решения были использованы современные системы автоматизированного проектирования и производства фирмы Delcam plc — ArtCAM, PowerSHAPE и PowerMILL. Функциональные возможности данных программных продуктов позволили нам не только реализовать в трехмерном пространстве все дизайнерские и конструкторские идеи, но и построить высокопроизводительный технологический процесс изготовления деталей сложной геометрии на фрезерном станке с ЧПУ.

«САПР и графика» 2'2005