Журнал «Ритм машиностроения» продолжает раскрывать особенности производственных технологий изготовления изделий гибкой из листового металла. Специалист в области формообразования, аккредитованный эксперт РИНКЦЭ, профессор МГТУ «Станкин» Светлана Лукина по просьбе редакции прокомментировала особенности развития гибочной технологии.
Задача формообразования машиностроительных деталей и изделий металлоконструкций с заданными свойствами всегда была сложной инженерной технологией, упрощать которую научились с приходом в нашу жизнь цифровых инструментов виртуального прогнозирования заданных геометрических форм и свойств деталей с помощью специального ПО класса CAD/CAE/CAM.
Гибка листового металла дает возможность создавать бесшовные соединения, исключая сварку, что обеспечивает монолитность металлоконструкций и высокую точность геометрии деталей. Ее особенность — в возможности получить готовую к применению сложную по конфигурации деталь, изготовленную на одном рабочем месте на листогибочном станке с ЧПУ (одна операция, разбитая на последовательный ряд технологических (гибочных) переходов).
Согласно ГОСТ 18970‑84 «Обработка металлов давлением. Операция ковки и штамповки. Термины и определения», гибка — это образование или изменение углов между частями заготовки или придание ей криволинейной формы. Отметим, что устанавливать некоторые технологические параметры гибки листовых заготовок толщиной не более 3 мм (в частности, минимальные радиусы сгиба листовых материалов) из деформируемых сталей с учетом вида их термообработки и легированности можно по ОСТ 100286‑78 «Радиусы сгиба листовых материалов из сталей». Основные нормативные документы, которые следует учитывать при гибке листового металла: ГОСТ 19903‑74, ГОСТ 19904‑90, ГОСТ 14637‑89, ГОСТ 16523‑97, ГОСТ 1577‑93, ГОСТ 19281‑89 и др. Параметры длины, радиуса и предельные отклонения от норм прописаны в госстандартах 30893.1‑2002 и 17365‑71. Действуют также регламенты, распространяющиеся на определенные виды металлопродукции, которую получают путем гибки металлического листа.
Листовая гибка относится к гибридному технологическому переделу, связывающему заготовительный (получение заготовок) и обрабатывающий (получение готовых деталей для сборки) циклы производства. Известно, что именно заготовительный передел создает основу для удешевления производства: чем точнее и качественнее исходная заготовка, тем менее трудоемко и дешевле получение конечной готовой детали на последующих стадиях производства.
Рынок диктует две востребованные бизнес-задачи:
1 — получение финишного изделия при наименьшем числе операций и обработок резанием, что возможно при качественной заготовке, максимальной приближенной по форме и свойствам к готовой детали;
2 — возможность уже на стадии подготовки производства быстро оценивать экономические параметры себестоимости изготовления сложных деталей, что невозможно без предварительной проработки операционных технологий и их нормирования.
Перечисленные задачи положительно решаются при наличии развитых САПР и специальных компьютеризованных инструментов на основе цифровых технологий управления операциями формообразования.
Компьютерная CAD/CAM-среда позволяет препроцессорно подготовить операционную технологию гибки и создать основу ее управляющей программы, чтобы затем передать данные на станок для реализации. Такой пре/постпроцессорный подход позволяет виртуально отработать возможные сценарии гибочной операции, гарантировать получение заданной в CAD-модели детали и выбрать лучший вариант последовательности переходов с учетом физико-механических свойств металла и технологических уклонений (сгибов, отбортовок), обусловленных расходом листа в местах гибки.
Почему гибочная операция считается коварной? Спрогнозировать конечный результат данной операции непросто, т.к. априорно выбранная последовательность гибочных переходов для исходного размера листа с большой вероятностью может привести к браку, проявляющемуся лишь на последнем переходе. Компьютерно-графическая препроцессная генерация вариантов формообразующих переходов позволяет превентивно исключить брак, выбрав лучший вариант техпроцесса, чтобы получить требуемое по форме и свойствам изделие.
Следует учитывать, что при гибке металла в листе существует нейтральная линия, которая не сжимается и не растягивается. Расстояние от внутренней полосы сгиба до нее называется К-фактором, или коэффициентом положения нейтральной линии. Чем меньше К-фактор, тем более растягивается металл и тем больше необходима листовая заготовка как развертка. Подбор К-фактора производится экспериментальным путем на производстве под имеющиеся виды матриц и пуансонов (оснастки) и в дальнейшем используется в программах САПР для расчета развертки для гибки листового металла с учетом числа элементов гибки на заданной длине развертки. При этом технические характеристики применяемой оснастки имеют важное значение.
Специализированный CAD/CAM-модуль листогибочной операции, встроенный в информационную среду управления стадиями разработки и подготовки производства изделий, позволяет избежать приведенных технологических ошибок и спрогнозировать будущее качество сложного по форме изделия, полученного многопереходной гибкой из листового металла. Данное ПО может рассматриваться как класс CAM-системы, реализованной в CAD-среде и ориентированной на спектр технологических задач формообразования изделий гибкой из листового металла, что весьма востребовано на рынке обрабатывающих технологий.
Разработки в данном направлении (решение задач прогнозирования и цифрового моделирования в процессах гибки металла) носят актуальный характер. Только проектирование с помощью современных САПР обеспечивает достижение необходимой точности при расчете листовых разверток изготавливаемых деталей, позволяет сформировать нужную последовательность и перечень гибочных переходов на операции гибки, а также дает возможность превентивного нормирования операции листовой гибки для прогнозной оценки трудоемкости и себестоимости изготовления готового изделия на ранних стадиях его проектирования.
Цифровое управление листогибочной операцией
Артем Чунихин,
ведущий эксперт ООО «ТопС Бизнес Интегратор» (входит в НКК)
В данной статье показывается подход к применению специализированных CAD-инструментов для проектирования технологии гибки сложных изделий из листового металла с учетом физико-механических характеристик и ограничений операционной технологии гибки по средствам оснащения. Алгоритм рассмотрен на примере CAD-модуля PLM «САРУС ЛМ» разработки НКК.
Введение
В настоящее время изделия из листового металла имеют высокий спрос в различных отраслях промышленности. Полуфабрикаты в виде листового металла широко используются в массовом производстве, обеспечивая высокую производительность процессов обработки и снижение себестоимости изделия. Такие детали, выполненные единым элементом, заменяют целые узлы и тем самым упрощают сборочное изделие, а также повышают его технологичность.
Применяют изделия из листового металла по причине его универсальности: малый вес при требуемых механических характеристиках и уникальности геометрических форм; высокая степень пригодности к резке, пластическому формованию, сварке и др. В зависимости от применяемого материала возможно получение достаточно сложных по форме листовых деталей. Современные CAD-системы позволяют осуществлять параметрическое моделирование таких изделий, создавать чертежи или аннотированные данные, вносить изменения в описание конструкции, формировать технологические операции гибки и многое другое. Важно организовать процесс работы в CAD-модуле для гибки листового металла таким образом, чтобы пользователь осуществлял конструкторскую разработку с использованием инструментов, учитывающих геометрическую специфику изделий и технологию их изготовления. Такой подход позволит разработать правильную конструкцию листового изделия, учитывающую требования технологических процессов пластического деформирования материала и возможностей применяемого оборудования.
Особенности моделирования листового металла
Одним из ключевых параметров изделия является толщина листа, которая остается неизменной на протяжении всего процесса проектирования. Обычно этот параметр значительно меньше ширины и длины листа. Значение толщины задается при создании первого элемента построения и наследуется во всех последующих операциях.
Особенности моделирования листового металла нагляднее всего продемонстрировать на таком важном и распространенном конструкторском элементе, как сгиб. Сгиб может входить в другие более сложные конструктивные элементы. Основные параметры сгиба — радиус и угол. В поперечном сечении область радиуса сгиба условно делится на внутреннюю и внешнюю, при этом внешняя область растягивается, а внутренняя — сжимается. Между ними находится нейтральный слой, который не подвержен изменениям при изгибе (рис. 1).
Рис. 1. Параметры листового изделия с элементами «сгиб»
Положение нейтрального слоя характеризуется коэффициентом нейтрального слоя (КНС), его величина для металлов варьируется в диапазоне от 0,3 до 0,5. При заданном КНС система автоматически вычислит припуск на участок сгиба — величину, на которую необходимо увеличить размеры развертки относительно согнутой детали. КНС, подбор допускаемых углов сгиба (рекомендуется задавать радиус, который равен толщине листа или превышает ее), а также учет пружинения материала являются важными функциональными характеристиками изделия, от которых зависит процесс моделирования изделия в CAD-системе.
Технологические операции формирования листового изделия могут быть воспроизведены в CAD-системе, а возможность настройки их параметров позволяет учесть максимальное количество факторов будущего производственного процесса. Типовыми операциями обработки листового металла являются гибка, получение развертки для ее последующего раскроя, пробивка отверстий, формирование отбортовок и другие. Отбортовки позволяют сделать местные усиления и устранить острые кромки на изделии. Операция пробивки формирует отверстие требуемой конфигурации.
Важным этапом является расчет и моделирование развертки, так как от правильности ее построения напрямую зависит качество изделия. В разогнутом состоянии на детали наглядно видны угловые зоны, в которых при формировании сгиба может возникать концентрация напряжений, приводящая к разрывам металла. Для устранения данного негативного эффекта применяются технологические вырезы различной формы, или ослабления (рис. 2).
Рис. 2. Рекомендуемая форма угловых зон сгибов
Рис. 3. Замыкание угла
Смежные сгибы могут изменяться не только в угловой зоне, но и по всей длине контактирующих ребер (граней) сгибов. Целевая геометрия в таких зонах формируется при помощи операций замыкания углов, которые усекают или удлиняют смежные стороны для получения корректного сопряжения с зазором или без (рис. 3).
Подготовка 3D-модели
Рассмотрим подробно процесс CAD-проектирования листовой детали на примере построения изделия — корпус прибора (рис. 4). Корпус требуется выполнить из листового металла с отбортованными стенками и другими конструктивными элементами, показанными на рисунке.
В интерфейсе системы для этого потребуется использовать ленту команд листового моделирования, дерево модели, дополнительную панель работы с видами, модельное пространство и манипуляторы для управления параметрами команды (рис. 5).
Рис. 4. Корпус прибора: конструктивное задание на CAD-синтез сложного изделия гибкой
Рис. 5. Интерфейс CAD-модуля «листовой металл (ЛМ)»
Задание параметров листового материала
На начальном этапе построения конструктор задает основные параметры материала: толщину листа, марку и тип (сталь, деформируемый алюминий и т. д.), а также параметры гибки. Как правило, CAD-система имеет отдельные глобальные настройки параметров по умолчанию для упрощения работы пользователя. Толщина определяет все последующие построения — при проектировании система будет поддерживать постоянство толщины во всей модели. На основе предварительно назначенного материала система автоматически вычисляет рекомендуемый минимальный радиус сгиба (обычно больший или равный по значению толщине) и КНС.
Построение базовой геометрии
Указав основные настройки в файле модели, пользователь осуществляет построение базовых геометрических элементов. Такие элементы удобно создавать на основе эскизов замкнутой или незамкнутой формы. В случае замкнутого эскиза пользователь получает пластину заданной толщины, а в случае незамкнутого — листовую деталь, согнутую по конфигурации эскиза с добавлением скруглений на углах (рис. 6, 7). Оба данных элемента являются простейшими листовыми изделиями. В некоторых случаях при построении конструктору удобнее создать несколько отдельных базовых листовых тел, которые на каком-то этапе проектирования объединяются переходной геометрией, в результате чего формируется единый геометрический объект сложной формы.
Рис. 6. Базовые эскизы
Рис. 7. Базовые элементы
Формирование основного контура детали
Приведем пошаговый сценарий построения делали «Корпус с бортами», который включает в себя множество различных команд листового моделирования (рис. 8) из 12 переходов операции гибки.
1 — Построить базовый элемент.
2 — Достроить одну группу сгибов.
3 — Построить еще одну группу сгибов.
4 — Достроить внутреннюю группу сгибов.
5 — Разогнуть все сгибы и построить вырезы.
6 — Согнуть деталь в исходное состояние.
7 — Построить еще одну группу вырезов.
8 — Отдельно построить листовое тело по открытому контуру.
9 — На обоих листовых телах построить сгибы.
10 — Объединить листовые тела переходной геометрией.
11 — Создать правильное сопряжение контактирующих друг с другом сгибов.
12 — На финальном этапе построить сгиб по линии и усиливающий элемент конструкции.
Рис. 8. Последовательность геометрического построения детали «Корпус с бортами»
Применяемые для данных построений команды рассмотрим ниже более подробно.
На основе построенного базового листового тела можно создавать широкий спектр конфигураций изделий, используя две команды — «Сгиб» и «Вырез». Например, для создания простого листового тела коробчатой формы достаточно выделить четыре ребра на исходной пластине и применить команду «Сгиб», которая автоматически формирует нужную геометрию путем добавления к листовому телу элемента, состоящего из согнутой области и плоского участка.
Часто возникает необходимость моделирования вырезов в плоском состоянии листового тела. Для этого применяются две команды — «Разогнуть» и «Согнуть снова», которые разворачивают все согнутые участки в плоское состояние, допускают какие-либо построения и возвращают тело в начальное состояние с учетом изменений (рис. 9).
Рис. 9. Последовательность изменения конфигурации заготовки
Рис. 10. Фрагмент заготовки (переход 7)
Результирующая геометрия заготовки после построения вырезов представлена на рис. 10.
Дополнительные элементы
Для реализации дополнительных построений, обусловленных конструкторскими или технологическими нюансами, CAD-система предусматривает набор отдельных функций. Для соединения нескольких листовых тел в модели
предусмотрена команда «Мостик», которая создает переходную геометрию между элементами. Местное усиление кромок в конструкции для повышения жесткости и снижения травмоопасности при эксплуатации можно обеспечить при помощи команды создания отбортовки (рис. 11). Данная команда достраивает к выбранному ребру один или несколько сгибов предопределенной формы. Пользователь определяет желаемую конфигурацию, после чего либо применяет команду с параметрами по умолчанию, либо уточняет их.
Все эти дополнительные элементы построения повышают качество модели, поскольку готовая 3D-деталь получается максимально приближенной по форме к реальному изделию с учетом особенностей технологии производства.
Рис. 11. Варианты отбортовок
Создание развертки
Важным результатом разработки модели изделия в CAD-модуле для листового металла является получение развертки — плоской фигуры детали. Для повышения гибкости и уровня автоматизации проектирования развертка должна поддерживать возможность ассоциативного обновления в результате изменений проектных параметров изделия. Также пользователь должен иметь возможность управления элементами модели, отображаемыми на развертке: скрывать их (например, отверстия) или переносить их на развертку (например, кривые, созданные на гранях модели). Пример такого управления продемонстрирован на рис. 12.
Рис. 12. Листовое тело и развертка (прямоугольный контур перенесен с грани модели на развертку, отверстие скрыто)
Плоская развертка может использоваться как в виде 3D-модели, так и в виде контура. 3D-модель, как правило, важна при ЧПУ-обработке, если необходимо подготовить производство объемного элемента. Контур развертки в формате DXF часто используется для оптимизации раскроя и передачи на обрабатывающее раскройное оборудование. При создании контура развертки система может учитывать технологический припуск на резку, а также переносить линии сгиба на развертку.
Создание чертежа
На заключительном этапе проектирования пользователь получает ассоциативные чертежи на основе 3D-модели. На формате листа размещаются проекции исходной детали, а рядом — плоская развертка. Удобный инструмент автоматизации на данном этапе — возможность создать таблицу сгибов на чертеже. Такая таблица включает каждый сгиб с его параметрами: угол, радиус, направление (вверх или вниз относительно плоскости развертки), величину коэффициента нейтрального слоя и др. Это значительно облегчает работу технолога при подготовке данных для гибки на станке. Кроме того, на чертеже могут автоматически обозначаться позиционные номера для соблюдения последовательности гибки. Таким образом, применение разработанного CAD-модуля автоматизирует процесс выпуска конструкторской документации (КД) на листовую деталь с учетом технологии гибки.
Результат построения итоговой детали с разверткой представлен на рис. 13.
Рис. 13. Технологический раскрой развертки итоговой детали в интерфейсе системы
Пример таблицы сгибов представлен на рис. 14.
Рис. 14. Чертеж и таблица последовательности сгибов
Заключение
Специализированные CAD-модули гибки изделий из листового металла предназначены для автоматизации проектирования изделий из листового металла и обеспечивают полный цикл CAD-разработки сложного изделия гибкой в единой IT-среде без необходимости экспорта/импорта или переключения между отдельными программами, позволяют реализовать сквозную параметрическую (ассоциативную) связь значений начальных проектных переменных с промежуточными операциями построений вплоть до результирующих производственных данных. Это обеспечивает проведение любых изменений в автоматизированном режиме с последующим отображением результатов и на 3D-модели, и на развертке, и на чертежах, что снижает вероятность ошибок и упрощает процесс внесения изменений в конструкцию, ускоряет процесс выпуска КД, повышая ее качество. Автоматическое создание разверток и чертежей ускоряет процессы проектирования и подготовки производства и обеспечивает прогнозирование качества и себестоимости будущего изделия на ранних стадиях проекта.
Автор: Артем Чунихин, ведущий эксперт ООО «ТопС Бизнес Интегратор» (входит в НКК)
Источник журнал "РИТМ машиностроения" № 5-2025
Еще больше новостей |  |
