3 - 2005

Разработка клапана-«бабочки» с помощью T-FLEX CAD

Фриц Хаузер

Какое-то время назад наша компания Hauser Technology Switzerland (www.htvalves.com) приняла решение начать производство новой линейки поворотных клапанов типа «бабочка» с футеровкой на основе фторопласта PTFE (рис. 1). Предполагалось, что рабочий диск клапана должен иметь стальную основу, покрытую PFA. Высокочистый фторполимер PFA поддается обработке в расплаве и обладает такими важными характеристиками, как сопротивляемость практически всем химическим веществам, обширный температурный диапазон использования, устойчивость к воздействию окружающей среды, низкое трение и превосходная электрическая изоляция. Такие типы клапанов могут использоваться в различных отраслях: в химической, биохимической, фармацевтической, пищевой, полупроводниковой, лакокрасочной, целлюлозно-бумажной и многих других, а также при производстве удобрений и опреснении воды. Клапаны могут варьироваться в зависимости от диаметра трубы в диапазоне от 40 до 600 мм, причем форма и состав изделия практически не зависят от размера.

Мы занялись поиском CAD-программы для проектирования новых клапанов. Исходя из поставленной задачи мы сразу же решили, что нам нужна программа с хорошими параметрическими возможностями. Сначала мы никак не могли найти подходящую. «Большие» программы типа Unigraphics, CATIA или Pro/ENGINEER показались нам слишком громоздкими и неудобными, не говоря уже об их высокой стоимости. Связка «AutoCAD — Mechanical Desktop» не подходила по своим возможностям. Inventor в то время еще не вышла, а у SolidWorks и Solid Edge были явные пробелы в двумерном проектировании. В Интернете я отыскал T-FLEX CAD и попросил у ее разработчика, компании «Топ Системы», демонстрационную версию программы. Также я послал чертеж диска клапана, выполненный в AutoCAD, как пример, который я бы хотел видеть параметрическим. Мы были весьма впечатлены, когда спустя короткое время чертеж вернулся к нам в виде файла T-FLEX CAD, содержавшего полностью параметрические чертеж и трехмерную модель. Шел 1999 год, в то время поставлялась версия T-FLEX CAD 6.3. Мы поняли, что нашли то, что нам нужно. Наша уверенность только возросла, когда мы увидели, насколько мощные параметрические возможности заложены в T-FLEX CAD, насколько просто работать с системой и как грамотно продуман интерфейс программы. Постепенно в процессе работы мы переходили на более новые версии программы, которые оснащались новыми интересными возможностями.

В 2003 году я ушел из компании и основал свою, которая продолжила работу в этой же области — проектирование и производство поворотных задвижек-клапанов типа «бабочка». Когда пришло время принимать решение о том, какую CAD-систему использовать для проектирования новых изделий, у нас не было никаких сомнений — конечно, T-FLEX CAD. Мы планировали производить основное моделирование в трехмерном пространстве, а затем с помощью проекций сборок и отдельных деталей получать рабочие чертежи.

Значения многих внешних размеров клапана зависят от стандартов, таких как DIN или ASME, а размеры внутренних частей — от внешних размеров. Для упрощения поддержки такой связи мы решили использовать базы данных — благо T-FLEX CAD обладает в этом плане отличными возможностями. Размеры, которые зависят от стандартов, мы поместили в базу данных dBase. В T-FLEX существует возможность прямого доступа к внешнему файлу dBase, поэтому мы могли подготавливать и изменять таблицы базы данных вне программы. Для параметризации модели мы использовали переменные, которые были связаны с базой данных. В результате мы получили возможность буквально несколькими щелчками мыши автоматически получать новый вариант клапана с другими размерами (рис. 2). Конечно, это — в идеале, поскольку в ряде ситуаций переход от одних размеров к другим требовал некоторой коррекции результата.

Понятно, что многое в параметрическом поведении модели определяется тем, как она была спроектирована. Я думаю, что теоретически можно было построить модель, которая при любых изменениях не требовала бы доработки результата. Все зависит от того, сколько времени вы готовы на это потратить. Поскольку коррекция небольших ошибок результата параметрического пересчета была не слишком обременительной и проблемы легко устранялись, мы не слишком переживали по поводу «несовершенства» нашей модели.

Таким образом, мы получили полностью параметрическую трехмерную модель и созданный на ее основе чертеж (рис. 3).

В идеале, например для размеров 100 и 125 мм, когда не требовалось никаких правок, мы получали все результирующие материалы минут за пять. В самых неудачных случаях коррекция могла занимать до получаса. При этом нужно учесть следующее: сборочная модель нашего клапана состоит из 12 деталей, для каждой из которых требуется рабочий чертеж, причем две детали можно отнести к действительно сложным. После пересчета все оформление чертежа, полученного проекциями, также автоматически изменяется.

Если бы мы получали эти чертежи в другой системе без параметризации ручными правками, мы бы затратили на каждую деталь не меньше половины рабочего дня. Соответственно на все детали у нас ушло бы от трех до пяти дней. При этом следует учесть и возможность ошибок при таких правках.

Безусловно, то, что мы проектируем в 3D, а чертежи получаем проекциями, также имеет значение, поскольку гораздо легче заметить проблемы на трехмерной модели, чем на чертеже. Конечно, размеры тоже нуждаются в проверке, но это не требует оценки геометрической корректности. Для иллюстрации я приведу следующую ситуацию (рис. 4). На рисунке показан основной диск с покрытием PFA, а также соответствующий чертеж. Проверку значений размеров после пересчета проще проводить по 2D-чертежу, а проверку формы детали, конечно, по 3D-изображению. Еще один немаловажный аргумент в пользу проектирования в 3D возможность передачи данных для непосредственного производства детали.

В составе клапана есть четыре детали, которые мы изготавливаем за пределами нашей компании: корпус, основа диска, футеровка и уплотнение. Корпус изготавливается обработкой заготовки, полученной литьем, с четырех сторон. Литье производится в песчаной форме, а модель — из пластика. Для изготовления модели мы передаем ее в формате STEP нашему партнеру. Это — конечная модель, за исключением того, что она увеличена на 0,8% для компенсации усадки. Наш партнер даже не видит чертежей модели — ему достаточно трехмерной модели для создания формы с помощью станка с ЧПУ (рис. 5).

Для дальнейшей обработки заготовки корпуса мы передаем двумерные данные чертежа в формате DXF.

Для того чтобы покрыть диск полимером PFA, используется специальная технология. Температура плавления PFA имеет диапазон от 300 до 310°C, температура перехода — между 350 и 375 °C. Естественно, все оборудование также должно выдерживать соответствующие температуры, особенно учитывая тот факт, что процесс, даже без разогрева, длится как минимум 10-15 мин. Охлаждение диска — еще один принципиальный момент, поскольку покрытие может легко треснуть, если температура снижается слишком быстро.

Для производства пресс-формы диска мы передали данные другому изготовителю в формате Parasolid, так как они используют у себя систему Solid Edge. Поскольку T-FLEX CAD также разработан на основе геометрического ядра Parasolid, то никаких проблем с передачей данных возникнуть не могло.

Пресс-форма была изготовлена по принципиально новой технологии. Во-первых, линия разъема проходит не по внешнему диаметру диска, что позволяет избежать опасности повреждения рабочей поверхности диска при ее зачистке. Во-вторых, для сборки и разборки пресс-формы не требуется тяжелого оборудования. Поскольку приходится разнимать пресс-форму при температуре около 150 °C и работать в специальных перчатках из кевлара, то управление пресс-формой должно быть как можно более простым. Как видно из рис. 6, пресс-форма работает превосходно. Обеспечивается высокое качество размеров с допуском ±0,05 мм от номинала и совершенная округлая форма, идеально соответствующая плотному прилеганию клапана.

Таким образом, мы можем с уверенностью сказать, что нам не удалось бы создать новую серию клапанов без современной системы проектирования, такой как T-FLEX CAD, за столь короткое время, с небольшими трудозатратами, с высоким качеством и, что немаловажно, с вполне приемлемой стоимостью разработки совершенно нового продукта (рис. 7).

Мы без тени сомнения рекомендуем T-FLEX CAD для разработки технических изделий, особенно если у вас есть серии схожих деталей с различными размерами. Я думаю, в этой области T-FLEX CAD даст фору любой программе, даже «большим» системам, поскольку работать с программой очень легко, а параметризация не требует практически никаких дополнительных действий и воспринимается естественным результатом проектирования. Интерфейс пользователя — также одна из сильных сторон T-FLEX, если учитывать те мощные возможности, которые он предоставляет. С одной стороны, его команды и опции логично организованы и легко доступны, с другой — у него отсутствует чрезмерная запутанность меню и бесчисленное количество иконок, чем грешат многие другие системы.

«САПР и графика» 3'2005