Проектирование и изготовление изделий из листового материала в ADEM CAD/CAM

Андрей Быков, Алексей Казаков

Проектирование тонкостенных оболочек на основе мастер-моделей

Проектирование конструкций, изготавливаемых гибкой из листа

Проектирование конструкций, изготавливаемых штамповкой и вытяжкой из листа

Из листового материала сегодня изготавливается более половины всех деталей и узлов различных конструкций. Несущие корпуса самолетов, автомобилей, судов, космических аппаратов, механизмов и приборов сконструированы из листовых материалов. В первую очередь это связано с обеспечением минимума массы конструкции и с оптимизацией коэффициента использования материала.

Изготовление из листового материала напрямую связано с такими технологиями, как:

• механическая, газовая и лазерная резка;

• листопробивка, вырубка, вибровысечка;

• гибка;

• листоштамповка (вытяжка, формовка, обжим, обтяжка и т.п.);

• сварка, клепка, пайка, склеивание.

В данной статье мы кратко рассмотрим возможности системы ADEM для решения таких задач проектирования тонкостенных конструкций, которые связаны непосредственно с их объемным моделированием, а также вопросы автоматизации технологической подготовки производства.

Проектирование тонкостенных оболочек на основе мастер-моделей

Один из самых распространенных способов проектирования оболочечных объектов основан на создании объемной мастер-модели изделия с последующим конструированием на ее основе системы тонкостенных оболочек. В данном случае исходная модель определяет теоретические обводы (внешние, внутренние, нейтральные и т.п.).

В зависимости от способа объемного моделирования мастер-модель может быть представлена в виде твердого тела, системы поверх­ностей или одной поверхности, а также в виде проволочного объекта. В связи с этим в системе ADEM предусмотрены различные способы конструирования. Наиболее эффективный из них — автоматическое построение оболочки на основе твердотельной мастер-модели (рис. 1). Это наиболее простой способ в плане задания данных. Для построения оболочки достаточно указать исходное тело и грани, которые нужно оставить открытыми (не­обязательный шаг). Далее надо ввести высоту и глубину оболочки относительно поверхности исходного тела — тем самым можно регулировать толщину и положение оболочки относительно поверхности. Этих шагов достаточно для того, чтобы система ADEM создала оболочку равномерной толщины.

Если требуются какие-либо конструктивные изменения в модели оболочки, то с ней можно работать как и с любой другой объемной моделью в системе ADEM: удалять или добавлять материал, вырезать отверстия, деформировать и т.д.

Для мастер-модели, выполненной в виде отдельных поверхностей, можно воспользоваться аппаратом поверхностного и гибридного моделирования. Среди прочих функций системы — построение эквидистанты к поверхности, обрезка и сшивка поверхностей, затяжка отверстий и щелей и т.п.

Проектирование конструкций, изготавливаемых гибкой из листа

Гибка — одна из самых старых и недорогих технологических операций, которая и сегодня не утрачивает своей популярности. В плане геометрии эта операция отличается от других способов деформирования листа тем, что линия гиба всегда является прямой линией, поэтому оборудование и оснастка чрезвычайно просты.

К особенностям проектирования деталей, изготавливаемых гибкой, можно отнести, во-первых, выполнение требования линейности участков деформации, а во-вторых, учет толщины материала и допустимых радиусов гиба.

Для автоматизации процесса проектирования в системе ADEM был разработан специальный математический аппарат, который реализован в виде пяти главных операций:

• загиб с заданным радиусом, под заданным углом, на заданную длину с отступами и фасками (рис. 2);

• загиб с нахлестом с заданным радиусом, под заданным углом, на заданную длину с отступами и фасками (рис. 3);

• продление листа на заданную длину или до грани, с отступами и фасками (рис. 4);

• разрезание листа (рис. 5);

• развертка модели относительно нейт­раль­ной или любой другой линии, а правильнее сказать — поверхности (рис. 6).

Этих способов более чем достаточно для конструирования изделия и получения его развертки для раскроя. Более того, к этой модели можно применять любые другие функции системы ADEM: скругление, вырезание отверстий, срезание фасок, деформирование и т.п. К тому же при создании развертки система учтет все эти изменения модели, напрямую не связанные с функциональностью гибки.

Проектирование конструкций, изготавливаемых штамповкой и вытяжкой из листа

Операции штамповки и вытяжки из листа требуют уже более сложной оснастки — профильных штампов. Здесь даже у самых простых операций, таких как отбортовка, линия гиба материала не является прямой линией. У сложных формообразующих операций поверхности получаемой детали уже описываются B-spline-геометрией.

Рассмотрим лишь две самые простые процедуры системы ADEM, связанные со штамповкой из листа, — отбортовку и плоскую выштамповку.

Для создания конструктивного элемента типа «отбортовка» пользователь должен указать базовую плоскость, которая определяет направление штамповки и цепочку ребер, вдоль которых будет произведена отбортовка. К этим исходным данным надо добавить штамповочные уклон и радиус, высоту отбортовки и длину полки. Последнее необходимо лишь для Z-образной отбортовки. Система автоматически создаст модель с отбортовкой (рис. 7).

Для конструирования плоской выштамповки потребуются те же данные, что и для отбортовки, за исключением длины полки (рис. 8).

Модель штамповки можно использовать для получения матрицы и пуансона (рис. 9). Для этого достаточно применить функцию ADEM «Разделение пресс-формы» или воспользоваться стандартными булевыми про­цедурами.

О проектировании более сложных изделий, изготавливаемых листовой штамповкой, а также соответствующей оснастки мы планируем рассказать читателям в следующих статьях.

Теперь рассмотрим вопросы изготовления деталей из листового материала на станках с ЧПУ. Следует отметить, что начиная с версии 8.0 модуль проектирования управляющих программ полностью интегрирован с подсистемой проектирования технологических процессов ADEM CAPP. Это позволяет сделать маршрут обработки более понятным и естественным. Теперь каждая УП представляет собой программную операцию, которая, в свою очередь, состоит из набора переходов. Применение подобной методики позволяет включать программные операции в единый техпроцесс, использовать единые базы данных инструмента и материала, общие алгоритмы расчета/выбора режимов резания, а также автоматически формировать УП, карты наладки, ведомости применяемых инструментов и приспособлений и другие необходимые документы.

Расскажем об автоматизации в ADEM двух популярных способов обработки изделий из листового материала на оборудовании с ЧПУ:

• с использованием дыропробивных прессов;

• с использованием станков лазерной резки и сварки.

Управляющие программы для листопробивки (рис. 10) создаются с помощью технологического перехода «Пробить». С его помощью можно выполнять вырубку окон, стенок, замкнутых и незамкнутых пазов. Поддерживаются круглые и прямоугольные пуансоны без (со) скругленных углов, которые можно разворачивать в процессе обработки на произвольный угол вдоль оси Z .

Предусмотрено три режима работы:

• одиночный удар — вырубается отверстие, форма которого определяется формой пуансона;

• проход вдоль линейного контура — обрабатываются линейные участки, длина которых превышает размеры инструмента. Количество ударов, необходимых для обработки контура, вычисляется автоматически с учетом размеров пуансона и величины нахлеста, который позволяет обеспечить лучшее качество реза. Для формирования четких углов имеется возможность задания параметров вывода пуансона в начале и в конце контура на заданную величину;

• вибровысечка — обработка контуров свободной формы круглым пуансоном. В данном режиме инструмент движется вдоль контура с заданной подачей, совершая опре­деленное количество ударов в минуту.

В случае обработки крупногабаритных деталей, размеры которых превышают размеры рабочей зоны пресса с ЧПУ, используется команда «Перехват». С ее помощью производится освобождение зажимов и перемещение листа таким образом, чтобы необходимая его часть попала в рабочую зону станка, а затем обработка будет продолжена.

В последнее время для обработки листовых материалов все чаще применяются лазерные станки. Начиная с версии 71 в составе системы ADEM поставляется модуль 2,5/5-координатной лазерной обработки, разработанный в тесном сотрудничестве с компанией TRUMPF laser GmbH+Co. KG (Schramberg — Germany) (рис. 11). Выпускаемые компанией лазерные станки серии LASMA оснащаются системой ЧПУ Siemens 840D, постпроцессоры на которые были созданы и отлажены в модуле ADEM GPP, и уникальным лазером собственной разработки, обеспечивающим передачу светового импульса на несколько станков.

В процессе создания УП в системе ADEM режимы работы лазера выбираются из базы данных, поставляемой компанией TRUMPF, в зависимости от марки обрабатываемого материала и вида выполняемых работ. Для упрощения обработки однотипных деталей возможно применение аппарата станочных подпрограмм. С целью предотвращения повреждения деталей, заданных замкнутыми кривыми, создан механизм задания и управления так называемыми точками прерывания, обеспечивающими удержание детали на листе после завершения обработки.

Если резка плоских деталей лазером особых вопросов не вызывает, то для 5-координатной лазерной резки тонкостенных оболочек был разработан отдельный вид обработки — обработка линейчатой поверхности боковой частью луча (если предположить, что лазерный луч — это цилиндр). В данном случае сама поверхность частично определяет углы наклона луча. Однако на практике направление UV-линий соседних поверхностей редко совпадает, особенно если используются средства поверхностного моделирования или модель импортируется через интерфейсы чтения моделей из других CAD-систем. Для обеспечения гладкости изменения углов наклона луча и его удержания по нормали к обрабатываемой оболочке совместно с поверхностью оболочки задается одно из ее ограничивающих ребер. При этом модель может быть несшитой и представлять собой набор отдельных поверх­ностей.

Положение оси инструмента в пространстве отображается отрезками определенного цвета на каждом участке траектории, что существенно облегчает визуальный контроль правильности формируемых перемещений.

Напомним, что разделы по работе с листовым материалом в системе ADEM являются частью общей функциональности системы. При работе с ними доступны все опции и весь математический аппарат единого конструкторско-технологического пространства. Такой подход к автоматизации позволяет решать задачу комплексно и в итоге не только получить снижение трудоемкости отдельных этапов проектирования, но и с максимальным эффектом осуществлять подготовку производства.

«САПР и графика» 4'2005