Технологическая подготовка штампового производства с использованием SolidWorks

Алексей Друмов, Сергей Кузнецов, Михаил Малов

Базовые возможности SolidWorks

Logopress: проектирование штампов последовательного действия

     Модуль построения разверток

     Модуль формирования рабочей зоны штампа

     Модуль пространственной компоновки штампа

Процессы штамповки и гибки листового металла находят широкое применение в автомобилестроении, авиации, приборостроении и многих других отраслях промышленности. Качество изделий, получаемых с помощью этих технологических процессов, зависит не только от степени конструктивной проработки, но и во многом от точности оснастки и технологии их изготовления.

SolidWorks является базовым средством проектирования тонколистовых деталей и оснастки, предоставляя пользователям широкий инструментарий для твердотельного и поверхностного моделирования. Встроенные функции построения тонкостенных оболочек, деталей, получаемых гибкой, функции анализа уклонов, построения матрицы и пуансона автоматизируют создание моделей и исключают возможные ошибки проектировщика. А в тех случаях, когда базовых средств CAD-системы по тем или иным причинам недостаточно для решения прикладных задач, на помощь конструктору и технологу приходят специализированные модули SolidWorks, некоторые из которых мы рассмотрим более подробно.

Базовые возможности SolidWorks

В распоряжении конструктора, работающего с SolidWorks, имеется большое многообразие инструментов по проектированию изделий из листового металла. С их помощью он достаточно просто и быстро может получить тонколистовую модель произвольной по сложности формы и обладающую всеми конструктивными и функциональными особенностями, которые необходимо учесть. При формировании геометрии тонколистовой модели SolidWorks не предписывает строго определенной последовательности действий; то есть конструктор сам волен выбирать стратегию построения. Например, можно проектировать деталь из листового металла как отдельно, так и в контексте сборки (по месту), опираясь при этом на геометрию других деталей, входящих в сборку. Это может потребоваться при проектировании некоторых деталей типа корпуса или кожуха, когда критериями формы и размеров корпуса являются форма и местоположение других элементов и узлов этого устройства.

Деталь из листового металла в SolidWorks — это тонкостенная деталь постоянной толщины, в которой есть сгибы и которая изначально имеет два состояния: согнутое и развертка. Сравнение методов создания деталей из листового металла позволяет лучше понять элементы, доступные в SolidWorks. Существуют два способа создания детали из листового металла:

• построить твердотельную деталь, а затем преобразовать ее в деталь из листового металла;

• создать деталь как деталь из листового металла, используя специфические геометрические элементы, присущие деталям из листового металла. Это позволяет избежать лишних шагов, так как деталь создается как деталь из листового металла с исходной стадии проектирования.

А теперь рассмотрим инструменты SolidWorks, которые позволяют строить детали из листового металла, используя два вышеназванных метода.

При создании детали из листового металла обычно проектируется деталь в свернутом состоянии, что позволяет сохранить общий замысел проекта и размеры готовой детали. В этом случае при построении сначала используется элемент базовая кромка , которая создается на основе двумерного эскиза, а затем указываются толщина листа и радиус сгиба. В результате деталь SolidWorks помечается как деталь из листового металла. Сгибы добавляются там, где они необходимы. Кроме согнутого состояния, автоматически формируется и распрямленное состояние (рис. 1).

По мере включения в деталь новых элементов из листового металла все изменения в геометрии автоматически отражаются на ее распрямленном состоянии — развертке. Элемент ребро-кромка добавляет кромку к детали из листового металла на выбранном ребре (рис. 2). При этом профиль кромки может иметь произвольные контур и угол наклона к детали, а расположение относительно ребра может быть различным:

• материалом внутрь — сгиб не выходит за пределы ребра фиксированной грани;

• материалом наружу — сгибаемая грань располагается за пределами ребра фиксированной грани;

• сгибом снаружи — весь сгиб находится за пределами ребра фиксированной грани;

• со смещенным сгибом относительно ребра фиксированной грани на произвольное значение;

• по осевой линии, разделяющей область сгиба на равные части.

В деталь из листового металла можно добавлять фланцы; при этом углы автоматически срезаются. Сначала необходимо нарисовать линию, которая будет использоваться для создания кромки под углом , а потом указать для нее размеры (рис. 3).

Инструмент каемка добавляет каемку на выбранной кромке детали из листового металла. В зависимости от типа каемки можно классифицировать как замкнутые, открытые, каплевидные и закатанные (рис. 4).

Элемент выштамповка добавляет выступ по нарисованному эскизу в деталь из листового металла. Глубина этого элемента автоматически устанавливается по толщине детали, причем направление глубины автоматически совпадает с деталью (рис. 5). Когда деталь из листового металла находится в согнутом состоянии, в нее можно добавлять линии сгиба с элементом нарисованный сгиб. Это дает возможность задать размер от линии сгиба до другой согнутой геометрии. Угол сгиба может быть произвольным.

Инструмент изгиб добавляет материал в деталь из листового металла, создавая два сгиба из эскиза линии (рис. 6).

В деталях из листового металла можно создавать элемент по сечениям сгиба . Данный элемент использует два эскиза, объединенные переходом. У развертки сгиба детали по сечениям можно изучить отклонение площадей поверхности и длину кривых сгиба (рис. 7).

Если вы захотите сконструировать деталь из листового металла из разогнутого состояния, то в этом случае создается деталь из листового металла, а затем вставляются линии сгиба, по которым деталь сгибается (рис. 8).

Используя элементы разогнуть и согнуть , можно соответственно разогнуть и согнуть один, несколько или все сгибы в детали из листового металла. Такая комбинация используется при добавлении выреза по сгибу. Сначала добавляется элемент разогнуть в плоское состояние, а потом вырез. Затем добавляется элемент согнуть для возврата сгиба в согнутое состояние. Таким образом, конструктор может наполнять деталь элементами как в согнутом, так и в распрямленном состоянии.

При добавлении сгибов в модель SolidWorks предоставляет возможность автоматически создавать вырезы для снятия напряжения. Поддерживаются следующие типы вырезов: прямоугольный, без зазоров и скругленный. При создании прямоугольного и скругленного вырезов указывается пропорция смещения от сгиба, а сгиб с вырезом без зазора может быть удлиненным (рис. 9).

SolidWorks дает возможность создать твердотельную деталь, а затем преобразовать ее в деталь из листового металла для добавления сгибов и элементов детали из листового металла. Для этого требуется привести геометрию детали к форме с однородной толщиной и указать разрывы вдоль выбранных кромок. Можно создавать различные типы разрывов стыкового соединения: без зазора, с зазором, с перекрытием стыка смежной гранью. SolidWorks автоматически распознает и добавляет сгибы, после чего будет получена развертка (рис. 10).

Этот метод также применим в том случае, когда импортируется файл детали из листового металла в согнутом состоянии из другой CAD-системы. Преобразование импортированного файла в деталь из листового металла в SolidWorks позволяет получить ее развертку и управлять сгибами.

В процессе проектирования любого изделия конструктору нередко приходится добавлять в его геометрию часто повторяющиеся конструктивы. Этими конструктивами могут быть ребра жесткости, типовые держатели и пазы, маркировка, то есть объекты, которые не являются отдельными деталями, а состоят из комбинации элементов-операций, формирующих такие конструктивы. SolidWorks позволяет создать такой конструктив один раз, а потом сохранить в библиотеке для дальнейшего использования. Если необходимо применить этот конструктив в новой детали, то конструктор находит его в библиотеке и размещает на детали. Делается это так же просто, как в Windows происходит перенесение файла из одной папки в другую, то есть конструктор выбирает иконку библиотечного элемента и, удерживая кнопку мыши, переносит ее на геометрию модели.

При создании деталей из листового металла у конструктора тоже есть возможность обращаться к разделу общей библиотеки SolidWorks, называемой «Инструменты формы». Туда можно добавлять (и хранить для дальнейшего применения) специальные конструктивы, с помощью которых можно сгибать, растягивать или придавать иную форму листовому металлу для создания таких элементов форм, как вентиляционные отверстия, трубки, фланцы, ребра и т.д. (рис. 11). Использование библиотеки «Инструменты формы» значительно повышает производительность и эффективность работы конструктора.

При создании всевозможных сгибов SolidWorks автоматически проводит деталь из листового металла через две последовательные стадии. Сначала выравнивается модель и добавляется допуск сгиба; рассчитывается развернутая длина на основе радиуса и допуска сгиба. Затем плоская деталь заново сгибается для создания сформированной, то есть согнутой, версии детали.

В SolidWorks существует несколько способов указания допуска сгиба для детали из листового металла:

• использовать таблицу сгибов — если толщина детали или угол сгиба находятся в рамках значений указанной таблицы, то программа интерполирует значения для учета допуска сгиба. Таблица представляется в виде текстового файла или в виде таблицы Microsoft Excel, что позволяет без особых сложностей создавать специальные таблицы сгибов под конкретный материал и гибочное оборудование (рис. 12);

• указать коэффициент К, представляющий местоположение нейтрального слоя по отношению к толщине детали из листового металла. Можно задать точное значение коэффициента К или дать указание SolidWorks подобрать его из таблицы, аналогичной таблице сгибов;

• выбрать расчет либо допуска сгибов, либо уменьшения сгибов, чтобы определить плоскую длину основания листа и получить нужный размер согнутой детали.

При создании в модели первого элемента, присущего деталям из листового металла, сразу указывается тип определения допуска сгиба, после чего он становится допуском по умолчанию для всей модели. Но можно указать точное значение допуска сгиба для каждого сгиба в отдельности.

Как говорилось выше, с самого начала построения деталь из листового металла одновременно имеет два состояния — согнутое и распрямленное. Но помимо этого SolidWorks позволяет создавать дополнительные состояния, при которых выбранные сгибы и другие элементы могут быть погашены. Таких состояний может быть любое количество, и они могут описывать последовательность произведения сгибов из развертки детали в ее согнутое состояние, то есть описывать очередность операций для изготовления детали из листового металла. В результате на поле чертежа можно отобразить и образмерить виды детали не только в согнутом и распрямленном состоянии, но и в любом промежуточном (рис. 13).

Таким образом, функциональные возможности базового модуля SolidWorks характеризуются широким набором инструментов для проектирования листовых деталей. Далее мы рассмотрим специализированные модули SolidWorks, автоматизирующие решение различных задач технологической подготовки штампового производства.

Logopress: проектирование штампов последовательного действия

При разработке оснастки для листовой штамповки довольно сложной задачей является проектирование штампов последовательного действия, особенно таких, в которых чередуются как разделительные, так и формоизменяющие операции. Именно для решения указанных задач и предназначен Logopress — специализированный модуль САПР SolidWorks.

Главная задача этого модуля — облегчение труда конструктора, проектирующего штамповую оснастку. Logopress позволяет проектировать штампы, в которых выполняются как разделительные (пробивка, вырубка), так и формоизменяющие (гибка) операции. Данный модуль позволяет конструктору использовать готовый алгоритм разработки штампа, специальные инструменты проектирования, а также библиотеки стандартных компонентов. Все это в совокупности дает возможность конструктору не отвлекаться на решение частных вопросов, а сконцентрировать все внимание на разработке принципиальной схемы штампа, что значительно упрощает и ускоряет процесс проектирования.

Logopress состоит из трех подмодулей, которые выполняют следующие задачи:

• построение разверток;

• формирование рабочей зоны штампа;

• пространственная компоновка штампа.

Такая структура программного продукта позволяет вести последовательный процесс разработки штампа, в связи с чем работа каждого последующего модуля основывается на результатах работы предыдущего. Исходными данными для разработки штампа является модель детали. Первая операция при проектировании оснастки — построение развертки исходной детали. Эту операцию выполняет первый модуль, именуемый модулем построения разверток. На основе полученной развертки второй модуль формирует рабочую зону штампа. Последний этап работы — это пространственная компоновка штампа, которая выполняется на основе построенной во втором модуле рабочей зоны.

Модуль построения разверток

Разработка штампа начинается с построения развертки исходной детали. Модуль построения разверток позволяет работать с самыми разнообразными исходными данными. В качестве исходной детали может использоваться как деталь, построенная в SolidWorks, так и деталь, импортированная в SolidWorks из других систем трехмерного проектирования (рис. 14).

Деталь, построенная в SolidWorks, может быть создана и с использованием инструментов листового металла, и без их помощи. Модуль строит развертки как деталей, образованных твердыми телами, так и деталей, образованных поверхностями. Имеется возможность строить развертки деталей, полученных гибкой или вытяжкой и формовкой. Если из других систем трехмерного проектирования модель импортирована с ошибками, то данный модуль предоставляет конструктору инструменты для коррекции импортированной геометрии.

Часто в конструкции штампованных деталей встречаются элементы (ребра жесткости, рифты, глухие отбортовки), которые не оказывают значительного влияния на развертку. В целях сокращения времени расчета развертки таких деталей имеется возможность исключить из расчета элементы детали, не оказывающие значительного влияния на развертку. Этот модуль позволяет также зафиксировать некоторые элементы детали в процессе расчета развертки, имитируя таким образом работу прижимов-складкодержателей. Есть возможность выбора материала детали из пополняемой базы данных материалов.

На начальном этапе расчета развертки выполняется анализ геометрии исходной детали и выявляются элементы, полученные гибкой, и элементы, полученные вытяжкой и формовкой. Расчет развертки элементов, полученных гибкой, выполняется аналитически (рис. 15), а расчет плоской заготовки для элементов, полученных вытяжкой и формовкой, — методом конечных элементов (рис. 16), причем пользователь может управлять точностью построения сетки конечных элементов.

При расчете развертки аналитическими методами положение нейтрального слоя задается следующими способами:

• с помощью коэффициента К, который определяется пользователем отдельно для каждого гиба;

• посредством стандартной таблицы гибов SolidWorks;

• заданием значения допуска сгиба;

• вычислением сгиба.

После построения развертки можно провести экспресс-анализ напряжений и деформаций, возникающих в процессе изменения формы материала (рис. 17).

Кроме того, можно анимировать процесс изменения формы материала во время штамповки, чтобы увидеть и оценить изменение напряжений и деформаций в детали в процессе штамповки.

Модуль формирования рабочей зоны штампа

После того как при помощи первого модуля будет построена развертка исходной детали, можно приступать к формированию рабочей зоны штампа. Начинается этот этап с выбора заготовки (ленты). На основе габаритов развертки Logopress автоматически подбирает габариты заготовки. Если конструктора не устраивают автоматически выбранные параметры, он может задать их вручную. В зависимости от количества операций (технологических переходов) конструктор выбирает количество шагов штамповки. Logopress позволяет оптимизировать раскрой заготовки (рис. 18). Исходные данные для процесса оптимизации — контур развертки и ширина перемычки между деталями.

Если конструктор по каким-либо причинам хочет самостоятельно разместить детали на заготовке, то ему предоставляются для этого все необходимые инструменты. Он может задать шаг штамповки и расположение деталей на заготовке — угол поворота детали и расстояния от детали до краев заготовки, а также разместить на заготовке разверток несколько разных деталей.

Следующий этап — создание пуансонов штампа, для чего Logopress тоже предоставляет набор специальных инструментов. Контуры пуансонов строятся с использованием контуров разверток, размещенных на заготовке. Logopress позволяет быстро и просто привязывать контуры пуансонов к контурам разверток, после чего останется лишь задать общую высоту пуансона и глубину проникновения его в матрицу. Аналогичным образом строятся шаговые ножи, если они предусмотрены конструкцией штампа.

После того как созданы все пуансоны и освобождены области сгиба, можно приступить к имитации процесса гибки. Автоматически распознаются характеристики гибов: радиус, положение нейтрального слоя, угол сгиба. У конструктора есть возможность выбора — выполнить на данном шаге гиб на полный или частичный угол. В отдельном окне задается значение угла пружинения. Соответственно гиб на данном шаге выполняется на заданный конструктором угол (полный или частичный) плюс угол пружинения.

Заканчивается формирование рабочей зоны штампа отделением готовой детали от ленты — вырубкой детали или перемычки.

В процессе компоновки рабочей зоны Logopress проводит расчет и выдает конструктору следующую информацию:

• общее усилие штамповки;

• сила, необходимая для вырубки и пробивки;

• сила, необходимая для гибки;

• количество материала (в процентах), идущего в отход;

• сумма периметров всех пуансонов;

• расположение центров давления для каждого пуансона;

• расположение центра давления для всего штампа в целом.

В результате работы данного модуля конструктор получает обычную сборку SolidWorks, состоящую из ряда деталей: заготовки и набора пуансонов (рис. 19). Эта сборка впоследствии может быть отредактирована как средствами модуля Logopress, так и базовыми средствами SolidWorks. При этом сохраняются ассоциативные связи между исходной деталью и созданной на ее основе рабочей зоной штампа, поскольку изменения в исходной детали ведут к изменениям рабочей зоны.

Модуль пространственной компоновки штампа

Пространственная компоновка штампа выполняется на основе сборки, полученной в итоге работы предыдущего модуля. Свою работу конструктор начинает с создания плит будущего штампа. Для удобства штамп условно делится на три части: верхнюю (верхняя плита крепления, прокладка, пуансонодержатель), среднюю (съемник) и нижнюю (направляющие линейки, матрица, нижняя плита крепления и т.д.). Для создания плит используются плиты-прототипы, которые хранятся в пополняемой библиотеке (рис. 20), — необходимо лишь выбрать соответствующий прототип, откорректировать его габариты и правильно расположить создаваемую плиту относительно сборки, построенной в предыдущем модуле. Для выполнения этих операций Logopress предлагает конструктору набор простых и удобных инструментов.

После создания набора всех необходимых плит, включающего направляющие элементы для заготовки, можно приступить к вставке стандартных компонентов. Logopress предоставляет возможность выбора стандартных компонентов из каталогов различных фирм: Agathon, Bimex, Danly, Fibro, Generic, Hasco, Intech Enoma, Rabourdin, Steinel, Strack и др. В каталогах имеются следующие стандартные компоненты: колонки и втулки различных типов (включены также и шариковые направляющие), штифты, винты (в том числе ступенчатые), болты, ловители, упоры, пружины, шайбы, гайки (см. рис. 20).

Длина винтов, болтов и штифтов подбирается автоматически. Logopress позволяет проектировать штампы как с неподвижным, так и с подвижным съемником, поэтому предусмотрены направляющие втулки для плиты — держателя съемника. При вставке всех вышеперечисленных компонентов в плитах автоматически создаются все необходимые отверстия. При этом конструктор может выбирать типы и параметры отверстий (для резьбовых отверстий — глухие, сквозные; для гладких — с цековкой, без цековки и т.д.).

После того как добавлены стандартные компоненты, начинается последний этап разработки штампа — создание в плитах отверстий под пуансоны. Конструктору достаточно указать только плиту-пуансонодержатель, а система автоматически распознает все остальные плиты, в которых нужно создать отверстия (матрица, съемник, нижняя плита крепления и др.). Если конструктора не устраивает автоматический выбор плит, он может переуказать их вручную. После этого для каждой из плит можно задать необходимый зазор между стенками отверстия и пуансоном или построить контур отверстия вручную (для пуансонов сложной формы). Для матрицы можно выбрать тип отверстия (гладкое цилиндрическое, ступенчатое цилиндрическое, цилиндр-конус, конус-конус), а также его параметры (углы конусов, высоту рабочего пояска и т.д.). Далее в автоматическом режиме с использованием этих исходных данных строятся все необходимые отверстия в плитах. Результатом всех этих построений является готовый штамп (рис. 21).

Logopress предоставляет в распоряжение пользователей несколько библиотек: материалов, плит-прототипов и стандартных компонентов штампов. Библиотеки модуля Logopress имеют открытую архитектуру, то есть пользователь может редактировать их, а также создавать собственные библиотечные элементы, соответствующие стандартам предприятия (СтП).

Поскольку тип материала исходной детали оказывает влияние на расчет развертки и на вычисление сил, возникающих в процессе штамповки, Logopress предлагает базу материалов с расширенными свойствами. Материалы характеризуются такими свойствами, как плотность, модуль Юнга, коэффициент Пуассона, предел текучести, коэффициенты анизотропии, а также диаграммой истинных напряжений в виде степенной аппроксимации или в виде таблицы значений. Пользователь может пополнять эту базу данных, изменяя свойства уже имеющихся там материалов или создавая новые материалы с необходимыми свойствами.

В базу данных стандартных компонентов входят детали, созданные с помощью стандартных функций SolidWorks, поэтому пользователь, соблюдая определенные правила, может редактировать существующие или создавать новые компоненты.

Библиотека плит-прототипов, которые используются при создании плит штампа, тоже доступна для редактирования — ее можно дополнять плитами, построенными пользователем.

Кроме всех перечисленных выше возможностей, Logopress предоставляет пользователю дополнительные инструменты для управления видимостью различных узлов штампа. Например, можно скрыть или отобразить сразу все плиты и стандартные компоненты штампа, скрыть или отобразить отдельно верхнюю, среднюю или нижнюю часть штампа, а также различные их комбинации. Также можно погасить (исключить из расчета) или высветить все стандартные компоненты.

Таким образом, Logopress, являясь специализированным модулем SolidWorks и обладая такими достоинствами, как простота использования, множество специализированных функций, наличие пополняемых библиотек материалов и компонентов, позволяет значительно упростить и ускорить работу конструктора при проектировании штамповой оснастки.

Окончание следует

«САПР и графика» 6'2005