7.2. Предпосылки автоматизации проектирования технологических процессов

Работы по созданию специализированного программного продукта для моделирования процессов ковки и объемной штамповки начались в США в 70-х годах XX века. Математический аппарат, основанный на моделировании вязко-пластического течения металла методом конечных элементов, был разработан в это же время, такими известными учеными, как Ли, Кобаяши, Парк и другими. Основной проблемой, тормозящей развитие программных средств моделирования процессов ковки и объемной штамповки в то время являлась низкая производительность компьютеров. Виртуальное производство сегодня использует современные мощные компьютеры для имитации процесса изготовления продукта и производственных процессов. Оно применяет методы нелинейного конечно-элементного анализа (FEA) для получения детальной информации о продукте, которая далее используется для оптимизации таких факторов, как технологичность изготовления, конечная форма, уровни остаточных напряжений и срок службы изделия. Существует три основных типа нелинейностей:

1. материальные – пластичность, ползучесть, вязкоупругость;

2. геометрические – большие деформации или растяжения, резкие изгибы;

3. граничные – контакты, трение, щели, дополнительные силы.

Метод конечных элементов работает на основе расщепления геометрии объекта на большое число (тысячи или десятки тысяч) элементов (например, параллелепипедов). Эти элементы образуют ячейки сети с узлами в точках соединений. Поведение каждого малого элемента стандартной формы быстро рассчитывается на основе математических уравнений. Суммирование поведения отдельных элементов дает ожидаемое поведение целого объекта. Материал и структурные свойства ячейки определяют, как деталь реагирует на определенные нагрузки. По существу, FEA является численным методом решения различных инженерных задач, таких как анализ напряжений, теплопередача, электромагнитные явления и течение жидкостей. Анализ FEA родился и вырос в автомобильной и аэрокосмической промышленности, однако, далее распространился на все другие сектора индустрии: производство медицинских инструментов, изделий из пластмасс, часов и др. FEA в результате обеспечивает компьютерную имитацию (моделирование) целых процессов, в которых создается и испытывается физический образец, который далее модифицируется и повторно испытывается до тех пор, пока не будет создана приемлемая конструкция. Материал и структурные свойства ячейки определяют, как деталь реагирует на определенные нагрузки. По существу, FEA является численным методом решения различных инженерных задач, таких как анализ напряжений, теплопередача, электромагнитные явления и течение жидкостей. FEA в результате обеспечивает компьютерную имитацию (моделирование) целых процессов, в которых создается и испытывается физический образец, который далее модифицируется и повторно испытывается до тех пор, пока не будет создана приемлемая конструкция. Тем не менее, FEA не означает замены испытаний образцов, а дополняет их.

Первые системы могли решать только двумерные задачи для осесимметричных поковок, что позволяло использовать относительно простые расчетные алгоритмы и свести время расчетов к более-менее приемлемым величинам. 2D-системы также позволяют моделировать процессы плоской деформации. Среди отечественных 2D-систем наиболее распространены системы Form-2D и QForm фирмы “Квантор-Софт”. 3D-системы появились лишь во второй половине 90-х годов XX века. Техническое обеспечение современных систем автоматизированного проектирования технологических процессов (САПР ТП) (рис. 34) обеспечивают персональные компьютеры (ПК) (мощностей современных ПК вполне достаточно), струйные принтеры формата А0, лазерные принтеры формата А4, которые входят в состав автоматизированных рабочих мест (АРМ).

Рис. 34. Вид рабочего окна САПР ТП QForm

Методическую базу САПР ТП составляют математические и эвристические модели процессов технологического проектирования и конструирования, методы принятия рациональных и оптимальных проектных решений, способы кодирования и математического описания объектов проектирования. Проектирование строится на базе максимальной стандартизации, унификации и типизации типовых проектных решений. САПР ТП могут основываться как на полной автоматизации, так и на диалоговом режиме. При полной автоматизации участие человека ограничивается подготовкой исходных данных. Полная автоматизация применяется при решении хорошо формализуемых, как правило, расчетных задач. Диалоговый режим проходит с участием человека и предполагает наличие средств диалогового проектирования и программного обеспечения связи между человеком и ЭВМ. В диалоговом режиме человек имеет возможность оперативно оценивать промежуточные результаты проектирования и активно, творчески влиять на его дальнейший ход. Диалоговый режим применяют для решения логически сложных задач, процесс решения которых заранее нельзя описать в виде алгоритма.

САПР ТП заключается в преобразовании на ЭВМ по заранее разработанной программе сведений о штампуемой детали, условиях ее производства, команд проектировщика и информацию о заготовке, последовательности и параметрах технологических операций, применяемом оборудовании, штампах и другой оснастки. Автоматизированное проектирование выполняется с помощью САПР - организационно-технической системы, состоящей из средств методического, программного, информационного, технического и организационного обеспечения. Информационное обеспечение включает библиотеки стандартных проектных процедур, типовых проектных решений, конструктивных элементов, комплектующих изделий и материалов, образующие в совокупности базу данных. Последовательность разработки конструкторско-технологической документации включает в себя следующие этапы:

1) чертеж поковки с техническими условиями;

2) габаритные чертежи штампов; рабочие чертежи сменных деталей штампов;

3) рабочие чертежи шаблонов для контроля поковки и ручьев штампов;

4) карта технологического процесса штамповки.

Технологическая документация представляется в текстовой и графической форме: маршрутные и операционные технологические карты, которые содержат результаты технологического проектирования. Наибольшую эффективность подготовки конструкторской документации обеспечивают системы интерактивного взаимодействия проектировщика и ЭВМ.