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

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 статье мы кратко рассмотрим возможности системы ADEM для решения 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 распространеных 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.). 

Мастер модель, с точки зрения способов объемного моделирования, может быть представлена в виде твердого тела, системы поверхностей или одной поверхности, а также в виде проволочных объектов. В связи с этим, в системе ADEM предусмотрены различные способы конструирования. 

Наиболее эффективный - автоматическое построение оболочки на основе твердотельной мастер модели. С точки зрения задания данных это наиболее простой способ. Для построения оболочки достаточно указать исходное тело и грани, которые нужно оставить открытыми (не обязательный 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.

Рис. 1 Построение оболочки на основе мастер-модели

В случае, 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/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 Вам потребуются : построение эквидистанты к поверхности, обрезка и сшивка поверхностей, затяжка отверстий и щелей и тп.

Проектирование конструкций, изготавливаемых гибкой из листа

Гибка - один из самых древних и недорогих технологических операций, которая и сегодня не теряет своей популярности. С геометрической точки зрения операция отличается от других способов деформирования листа тем, что линия гиба всегда является прямой линией. Поэтому оборудование и оснастка чрезвычайно простые.

К особенностям проектирования деталей, изготавливаемых гибкой, можно отнести, во-первых, выполнение требования линейности участков деформации и, 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, правильнее сказать - поверхности, (Рис.6)

Рис. 2 Загиб 

 

Рис. 3 Загиб с нахлестом 



Рис. 4 Продление/обрезка листа 

 

Рис. 5 Разрезание листа 

 

Рис. 6 Развертка 

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. При этом система учтет все эти изменения модели, напрямую не связанные с функциональностью гибки, при создании развертки.

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 отборотовка. 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)

Рис. 7 Простая и Z-отбортовка

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

Рис. 8 Выштамповка

Модель штамповки можно использовать для получения матрицы и пуансона. Для этого достаточно применить функцию ADEM "Разделение прессформы" или воспользоваться стандартными булевыми процедурами.

Рис. 9 Матрица и пуансон

С проектированием более сложных изделий, изготавливаемых листовой штамповкой, а также с проектированием соответствующей оснастки мы планируем познакомить читателя 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 так же автоматически формировать УП, карты наладки, ведомости используемых инструментов и приспособлений и другие необходимые документы.

Итак, 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 создаются с помощью технологического перехода "Пробить". С его помощью можно выполнять вырубку окон, стенок, замкнутых и не замкнутых пазов. Поддерживаются круглые и прямоугольные пуансоны без/со скругленными углами, которые можно разворачивать в процессе обработки на произвольный угол вдоль оси Z.

Предусмотрено три режима работы:

• Одиночный удар - при котором 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.

Рис. 10 Листопробивная обработка.

В случае обработки крупногабаритных деталей, размеры которых превышают размеры рабочего 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, после чего обработка будет продолжена.

В последнее время для обработки листовых материалов все чаще стали применяться лазерные станки. Начиная с версии 71 в состав системы ADEM поставлен модуль 2.5/5-ти координатной лазерной обработки, разработанный в тесном сотрудничестве с компанией TRUMPF laser GmbH+Co. KG (Schramberg - Germany). 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. Для предотвращения повреждения деталей, заданных замкнутыми кривыми, создан механизм задания и управления "точками прерывания", обеспечивающими удержание детали на листе после завершения обработки.

Рис. 11 Пятикоординатная лазерная резка.

Если резка плоских деталей лазером особых вопросов не вызывает, то для 5-ти 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 не сшитой и представлять из себя 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. Этот подход к автоматизации позволяет решать задачу комплексно, и получать не только снижение трудоемкости отдельных этапов проектирования, но и с максимальным эффектом вести подготовку производства.