Раздел 7, Компьютерное моделирование и автоматизация процессов производства

7.4. Моделирование процессов холодной штамповки

Технологии холодной штамповки позволяет эффективно реа­

лизовать изготовление плоских и объёмных тонкостенных изде­

лий из листов, полос или лент с помощью штампов.

По данным специалистов-технологов, на приборостроитель­

ных и машиностроительных предприятиях до 75% заготовок и

деталей изготавливается методами холодной штамповки.

Исходные материалы — чёрные, цветные сплавы, а также

неметаллические материалы. Наиболее высокие пластические

свойства необходимы для глубокой вытяжки (сталь с содержани­

ем углерода от 0,05% до 0,15%). Способность металла к вытяжке

и другим операциям листовой штамповки определяется его ме­

ханическими свойствами и технологической пробой. Обычно

толщина листа <3,6 мм. При мелкосерийном производстве тол­

щина листа <2,5 мм.

Все виды операций делятся на разделительные и формообра­

зующие.

К разделительным операциям относятся следующие:

— обрезка — полное отделение одной части от другой по зам­

кнутому контуру;

— вырубка — полное отделение одной части от другой, когда

отделяемая часть является изделием;

— пробивка — получение отверстий.

К формоизменяющим операциям относятся следующие:

— гибка — придание заготовке изогнутой формы без примене­

ния или с применением растяжки;

— профилирование ленты — непрерывное превращение ленты

в заданный профиль с последовательной гибкой на роликовых

машинах или специальных прессах;

— вытяжка — без утонения материала и с утонением материала;

— формовка — изготовление деталей из листа и круглой заго­

товки посредством пластического деформирования без измене­

ния толщины материала;

— раздача — образование горловины или увеличение диаме­

тра полой заготовки;

— отжимка — местное уменьшение диаметра полой заготовки;

516

517

7.4. Моделирование процессов холодной штамповки

При проектировании технологического процесса изготовле­

— отбортовка — образование борта путём расширения ранее

ния деталей листовой штамповкой основной задачей является

пробитого отверстия.

выбор наиболее рациональных операций и последовательности

Достоинства листовой штамповки достаточно очевидны:

их применения.

— возможность изготовления прочных, легких и жестких де­

Вытяжка. Вытяжка бывает с утонением и без. Вытяжка без

талей простой и сложной формы;

утонения стенки превращает плоскую заготовку в полое про­

— высокая производительность и экономное расходование

металла;

— широкие возможности автоматизации штамповочных работ.

Для деталей, получаемых холодной листовой штамповкой,

характерно то, что толщина их стенок незначительно отличается

от толщины исходной заготовки.

При изготовлении листовой штамповкой пространственных

деталей заготовка обычно испытывает значительные пластиче­

ские деформации. Это обстоятельство вынуждает предъявлять

к материалу достаточно высокие требования по пластичности.

Холодная листовая штамповка получила большее примене­

ние, чем горячая. При листовой штамповке чаще всего исполь­

зуют низкоуглеродистую сталь, пластичные легированные стали,

медь, латунь, содержащую более 60% Си, алюминий и его спла­

вы, магниевые сплавы, титан и др.

К преимуществам листовой штамповки относятся:

— возможность получения деталей минимальной массы при

заданных высоких требованиях прочности и жёсткости;

— достаточно высокие точность размеров и качество поверх­

ности, позволяющие до минимума сократить отделочные опера­

ции обработки резанием;

— сравнительная простота механизации и автоматизации про­

цессов штамповки, обеспечивающая высокую производитель­

ность (30-40 тыс. деталей в смену с одной машины);

— хорошая приспособляемость к масштабам производства,

при которой листовая штамповка может быть экономически

целесообразна и в массовом, и в мелкосерийном производстве,

и даже при изготовлении опытных серий деталей.

Как правило, при листовой штамповке пластические деформа­

ции получает лишь часть заготовки. Различают формоизменяющие

операции, в которых заготовка не должна разрушаться в процессе

деформирования, и разделительные, в которых этап пластического

деформирования обязательно завершается разрушением.

518

странственное изделие при уменьшении периметра вытягивае­

мой заготовки. Вытяжка с утонением стенки увеличивает длину

заготовки в основном за счёт уменьшения толщины стенки ис­

ходной заготовки.

Вырубка и пробивка. При вырубке и пробивке характер дефор­

мирования заготовки одинаков. Эти операции отличаются толь­

ко назначением: вырубкой оформляют наружный контур детали

(или заготовки для последующего деформирования), а пробив­

кой — внутренний контур (изготовление отверстий). Вырубка

и пробивка выполняются на прессах для заготовок с толщиной

листа <20 мм (вырубка) и толщиной <35 мм (пробивка).

Гибка. Операция гибки позволяет изготавливать детали с тол­

щиной до 15 мм на универсальных листовых штампах или спе­

циальных гибочных прессах. Минимальные радиусы следует

применять только в случае абсолютной конструкционной необ­

ходимости.

Важным обстоятельством при проектировании технологиче­

ских процессов листовой штамповки является оптимизация рас­

кроя заготовки, количества переходов и операций.

Надо отметить, что многие комплексные САПР тяжелого

(Pro-Engineer [121], CATIA [95], UG [163]) и даже среднего уров­

ня (SolidWorks [152], PowerSOLUTION [121], КОМПАС [100]

и др.) в состав модулей твёрдотельного геометрического модели­

рования сразу включают функции, автоматизирующие создание

развёрток листовых металлических деталей (Sheet metal).

Для решения полного технологического цикла изготовления

деталей сложной формы, получаемых глубокой вытяжкой, при­

меняются в основном специальные пакеты типа AutoForm [102]

или PAMSTAMP [113], которые позволяют проконтролировать

возможные дефекты, возникающие в процессе штамповки (уто­

нение, разрыв, царапание лицевой поверхности и др.), а также

оптимизировать геометрию инструмента и расход материала.

519

7.4. Моделирование процессов холодной штамповки

Основное преимущество специализированных программ при

применении их для моделирования листовой штамповки заклю­

чается в том, что они автоматизируют многие функции и при­

емы, необходимые для учета особенностей листовых деталей,

в том числе:

— использование адаптивной сетки (автоматическое создание

триангулированной поверхности);

— автоматическую генерацию сетки по «листовым» CAD-

моделям;

— автоматическое скругление острых кромок;

— быстрое проектирование вытяжных переходов;

— реальное применение оптимизации и др.

Для получения гарантировано высокого уровня автоматиза­

ции моделирования, ведущие мировые автомобилестроительные

компании, производители штампов и штампованных деталей,

стального и алюминиевого проката и другие выбирают именно

специализированное программное обеспечение.

В качестве исходной информации эти пакеты могут исполь­

зовать математические модели детали, импортируемые из любо­

го 3D-CAD пакета в IGES формате.

7.4.1.

Программно-метолический

комплекс

AutoForm

Для демонстрации возможностей специализированных тех­

нологических программ рассмотрим функции системы AutoForm,

которая включает целый набор модулей [102].

Модуль AutoForm-Incremental производит многошаговое мо­

делирование и анализ процесса листовой штамповки (табл. 7.1).

В результате моделирования пользователь получает всю необ­

ходимую информацию для оптимизации геометрии перехода и па­

раметров процесса, так же, как и в реальном эксперименте (зоны

утонения показаны красным и желтым, утолщения — голубым).

Разделительные операции. Пользователи могут легко задать

все разделительные операции, включая обрезку по контуру и

пробивку отверстий. Для того, чтобы реалистично описать про­

цесс, для каждой линии обрезки или отверстия могут быть за­

даны различные рабочие направления, которые импортируются

из CAD-системы. В сочетании с модулем AutoForm-Trim линии

обрезки могут быть автоматически оптимизированы.

521