Использование SolidWorks при проектировании и изготовлении штампов
Проектирование вырубных штампов в SolidWorks
Проектирование вырубных штампов в SolidWorks
Тему проектирования вырубных штампов мы рассмотрим на реальном примере, история
которого довольно интересна. Штамп был разработан в компании SolidWorks-Russia,
но заказчиком являлась одна из французских фирм. Перед этой фирмой встала задача
выбора программного обеспечения технологических подразделений, проектирующих
вырубные и гибочные штампы последовательного действия, и компания SolidWorks-Russia
доказала, что наш продукт способен выполнять такие работы. Поскольку была поставлена
еще и задача минимизации суммарной стоимости программного комплекса, мы не стали
разыскивать никаких специализированных модулей, решающих проблему комплектации
штампа стандартными деталями, а решили весь комплекс возникших вопросов (за
исключением выхода на станки с ЧПУ, так как этот вопрос у заказчика был полностью
реализован) посредством исключительно SolidWorks. 
В этом случае, в отличие от рассмотренного в первой части статьи, задача ставилась исключительно технологическая, в связи с чем вопросы конструирования самой детали отпали сами собой, поскольку заказчик не занимается разработкой деталей, а получает готовые модели, на основе которых разрабатывает и изготавливает оснастку для их производства. Для выполнения пилотного проекта мы получили модель SolidWorks, что автоматически сняло все проблемы по получению развертки детали. Однако стоит отметить, что и в том случае, когда в SolidWorks передаются модели деталей из других CAD-систем, таких проблем наверняка удастся избежать, так как SolidWorks имеет в своем распоряжении модуль автоматического и интерактивного распознавания элементов импортированной геометрии с последующим построением дерева модели. При этом можно получить и модель листовой детали, а значит, и ее развертку.
При проектировании указанных штампов возникает множество непростых и весьма специфических задач: нужно выбрать способ взаимного расположения деталей на ленте и шаг ее продвижения в штампе, смоделировать вырубные (а если надо, то гибочные и штамповочные) пуансоны, определить последовательность формирования контуров детали и число рабочих ходов штампа и т.д.
Способ раскладки на ленте был в данном случае довольно очевидным, поэтому,
выбрав предварительно из технологических соображений шаг продвижения детали,
мы приступили к созданию элементов штампа. Вообще, SolidWorks позволяет поместить
несколько деталей во вспомогательную сборку, синхронизировать их взаимное расположение
и простыми движениями мыши подобрать вариант ориентации деталей по отношению
друг к другу и к металлической ленте. Интересно, что большинство потенциальных
пользователей CAD-систем, приступая к выбору программного обеспечения для решения
подобных задач, требуют наличия в системе специальных функций оптимизации раскладки
деталей на ленте, но при этом все забывают (а точнее, вообще не задумываются)
о том, что оптимальный с точки зрения минимизации расхода материала вариант
такой раскладки будет совершенно неприемлемым для работы на вырубных штампах,
поскольку детали окажутся сориентированными не одинаково, то есть хотя и будет
прослеживаться регулярный рисунок, однако период его окажется слишком большим.
Видимо, только SolidWorks среди всех других CAD-систем позволяет решить вопрос
укладки деталей на ленте буквально за секунды и абсолютно бесплатно в смысле
минимизации затрат на специальные модули.
Теперь подробнее о самой работе. В основном работы велись в контексте сборки, что позволяло связать контуры фасонных частей штампа непосредственно с геометрией детали и больше не заботиться о необходимости отслеживать их изменения. Проще всего, конечно, было спроектировать геометрию пуансонов, формирующих вырезы в теле детали. В контексте сборки можно построить контуры основы пуансона, просто копируя во вставленную в сборку пустую деталь контуры нужного выреза. При этом одним выстрелом можно убить сразу двух зайцев: помимо автоматического отслеживания возможных изменений детали мы еще и создаем каждый вырубной пуансон сразу же на его месте в общей сборке, что делает ненужными многие последующие сборочные операции.
Вообще говоря, механизм контекстных ссылок SolidWorks неизменно вызывает восхищение
у пользователей системы, и тем большее, чем лучше они с ним знакомятся. Ведь
это и автоматические изменения геометрии одних деталей вслед за другими, и взаимная
увязка размеров нескольких моделей через уравнения, и создание вырезов, присутствующих
лишь в составе сборки, но не отражающихся в отдельных деталях, и определение
граничных условий для создания элементов геометрии одних деталей через другие,
и функции объединения нескольких деталей в одну (например, для создания упрощенной
расчетной модели неподвижной сборки), и функции для моделирования формообразующей
оснастки и т.д. А поскольку ассоциативные связи в SolidWorks сохраняются всегда
(их, конечно, можно разрушить принудительно, если постараться, но нельзя уничтожить
случайно), конструктору изделия или оснастки, как правило, не придется возвращаться
к редактированию деталей второй (третий, четвертый, десятый…) раз, как в подавляющем
большинстве конкурирующих систем.
Затем к полученной заготовке необходимо было добавить конструктивные элементы, обеспечивающие установку и закрепление детали на плитах штампа. Подобные элементы регламентируются исключительно производственными традициями, и каждое предприятие имеет собственный набор внутренних стандартов. Сначала мы думали, что фасонными окажутся только небольшие рабочие зоны вблизи режущих кромок, но французы удивили нас утверждением, что пуансон должен по возможности иметь постоянное сечение по всей высоте. Поразмыслив, мы не могли не согласиться, что его будет проще изготавливать, если работа будет идти с использованием проволочного электроэрозионного станка, что впоследствии и подтвердил заказчик. Поэтому лишь немногие наиболее мелкие по размерам вырубные пуансоны оказались «украшенными» конструктивно необходимыми наростами, на большинстве же таких деталей удалось просверлить крепежные отверстия в пределах габарита детали.
Действительно, такой подход существенно упрощает процесс моделирования всего штампа в целом, поскольку все вырезы в отдельных плитах могут быть созданы единой операцией в контексте сборки. Да и последующая подготовка производства тоже идет существенно быстрее, так как для обработки всех плит (точнее, для выполнения в них фасонных вырезов) можно использовать одну и ту же программу.
Матричные плиты были смоделированы обычными средствами SolidWorks. Некоторые вырезы в них были частично дооформлены уклонами (или высвобождениями) для облегчения удаления отходов, а различные направляющие элементы штампа и разного рода прокладки и фиксаторы были смоделированы штатными командами SolidWorks. Разумеется, в реальной практике такие детали едва ли будут заново проектироваться каждый раз — всегда возникает желание (и это вполне разумно) использовать удачные конструктивные элементы в следующих проектах либо напрямую, либо после внесения небольших необходимых модификаций. И SolidWorks предлагает для этого прекрасные возможности. В модели сборки SolidWorks сохраняются в основном ссылки на составляющие ее детали и подсборки, а также контекстные элементы, поэтому одна деталь может работать в любом количестве сборок без всяких ограничений. Что касается получения новой модели посредством модификации ранее полученной, то в SolidWorks имеется прекрасный механизм конфигураций, позволяющий хранить все варианты (или исполнения) одной модели в одном файле и при необходимости модифицировать их общую часть за одну операцию, управляя в данный момент любой из версий. К тому же новый вариант создается из старого за несколько щелчков мыши.
Еще одной отличительной особенностью проектировавшегося штампа был принцип
формирования отходов. В отличие от принятой в России практики получать отходы
в виде испещренной вырезами ленты, украшающей затем заборы садов и огородов,
зарубежный заказчик потребовал превратить все отходы в мелкие куски, более технологичные
в плане утилизации. В соответствии с проверенной годами производственной практикой
все отходы должны были отдельными кусками высыпаться под штамп в пределах его
рабочей части для сбора в контейнер. Это, естественно, несколько усложняло конструкцию
штампа в целом, а также требовало более продуманного подхода к проектированию
вырубных пуансонов. В результате некоторым пуансонам была придана такая форма,
чтобы они одним ударом обрабатывали фрагменты контура двух смежных деталей.
Чтобы иметь возможность моделировать такие детали, оказалось достаточным поместить
в ту же сборку еще один экземпляр детали и копировать в создаваемые пуансоны
необходимые фрагменты контуров каждой из них. Для формирования ответных вырезов
в плитах применяли уже готовую единую деталь (пуансон), отражающую контуры обеих
деталей.
Рассматриваемая деталь не была плоской, ее надо было согнуть на этом же штампе. Разумеется, сделать это нужно было на поздних этапах изготовления детали — после формирования контуров всех вырезов детали. Задача наша упрощалась тем, что все сгибы и подсечка нашей детали могли быть выполнены за один удар (хотя нам известны примеры и более сложных штампов, последовательно, за несколько рабочих ходов, формирующих деталь). Мы смоделировали гибочные пуансоны и все их конструктивное окружение. Необходимость обеспечить продвижение детали вперед и после гибки (то есть когда некоторые ее части окажутся торчащими вниз от базовой плоскости детали) потребовала ввести в комплект подпружиненные элементы, в свободном состоянии (при поднятых пуансонах) приподнимающие деталь на 8 мм. Пришлось приподнять на эту же высоту и весь комплект вырубных матриц путем установки под них прокладок. Для нормального функционирования сгибающего механизма часть элементов штампа была выделена в отдельную подвижную по вертикали группу.
И наконец, последним ударом от ленты отделяется готовая деталь. Но на этом закончилось лишь создание моделей формообразующих элементов штампа и базовых плит, необходимых для крепления ножей и удаления отходов. А как же весь набор крепежных деталей, направляющих втулок, колонок и стоек и прочей мелочевки, к тому же, как правило, стандартизованной? Как и заготовки плит, все элементы крепежа, колонки, фиксаторы, крепеж и прочие стандартные детали также могут быть получены штатным образом или извлечены из библиотеки стандартных изделий. В своей работе мы пошли по первому пути, так как ранее не сталкивались с французскими стандартами на элементы штампов, но для российских пользователей SolidWorks мы готовим библиотеку стандартных элементов штампов (заготовки плит, колонки, втулки и т.п.), входящих в состав библиотеки стандартных изделий StandardWorks. Мы планируем опубликовать в одном из ближайших номеров журнала статью, посвященную вопросам использования в SolidWorks библиотек стандартных изделий и стандартизованных конструктивных элементов вообще, где подробно расскажем об этом модуле.
Как и в первом примере, работа должна была завершиться оформлением чертежа
и спецификации, а также формированием программ для станков с ЧПУ и составлением
комплекта технологической документации. Но работа была заказной, и иностранный
заказчик не потребовал чертежей (впрочем, иностранных чертежных стандартов у
нас все равно не было). Поэтому мы оформили чертеж в соответствии с ЕСКД для
себя — как еще один образец оформительских возможностей SolidWorks. То же проделали
и со спецификацией, так как модуль ее автоматического заполнения по модели SolidWorks,
разработанный нашей компанией, не требует заметных трудозатрат для создания
этого документа, весьма важного в реальном производстве.
Что касается программ для станков с ЧПУ, то мы изложим лишь некоторые соображения
на этот счет, так как реальной работы по этой тематике от нас не потребовали
и, естественно, выполнять ее без привязки к реальному производству мы не стали.
Как уже отмечено выше, изготовление матриц вырубных штампов часто предусматривает
использование электроэрозионных станков. Есть немало приложений к SolidWorks,
обеспечивающих формирование программ для оборудования такого рода по моделям
SolidWorks. Мы отметили для себя рациональность подхода заказчика к формированию
контуров фасонных частей, позволяющую полностью или почти полностью избежать
при изготовлении таких деталей фрезерных операций, которые неудобны тем, что
для сложной формы деталей требуются и фасонные фрезы одноразовой применимости.
Кроме того, все вырезы можно обработать по одной программе, а работа в SolidWorks
с программами для фрезерных станков подробно описывалась в наших статьях уже
не раз.
В итоге конструкторской проработки был спроектирован штамп, изготавливающий детали из ленты за пять ударов. При этом в процессе изготовления последовательно несколькими пуансонами полностью формируются наружные контуры и все вырезы в теле детали, а также производится ее сгибание. Отходы представляют собой небольшие (порядка десятков миллиметров) куски металла, что упрощает их утилизацию.
 |
|
Некоторые итоги
Итак, на двух конкретных примерах из реальной практики нашей компании мы попытались показать вам, как можно проектировать в SolidWorks штампы двух типов — вырубные последовательного действия и формообразующие. В целом следует отметить следующие аспекты задачи:
- для проектирования штампов любых типов не обязательно искать и закупать
узкоспециализированное и вследствие этого чрезвычайно дорогое программное
обеспечение. В обоих рассмотренных случаях оказалось достаточно использовать
лишь небольшую часть базовых возможностей SolidWorks;
- непосредственно силами базового модуля можно смоделировать все составляющие штампа. При этом, благодаря созданию моделей в контексте сборки, все детали будут взаимосвязаны, вследствие чего гарантируется автоматическое внесение изменений во все детали практически при любых модификациях одной из них;
- в результате полной поддержки требований ЕСКД в SolidWorks можно полностью оформить комплекты чертежей на нестандартные детали и весь штамп как сборку. Модуль автоматического заполнения конструкторской спецификации позволяет в считанные секунды заполнить и этот документ;
- специальные модули способны взять на себя инженерные задачи, такие как расчет
заготовки при штамповке с трехосным деформированием материала с указанием
степени утонения листа и определением зон возможных разрывов или анализ размерных
цепей и оптимизация допусков;
- любые детали, смоделированные в SolidWorks, могут быть изготовлены на станках с ЧПУ. Программы для станков формируются средствами соответствующих модулей, интегрированных в среду SolidWorks или работающих в независимой среде, но напрямую получающих из SolidWorks геометрические данные.
«САПР и графика» 5'2002
