Вопросы для самоподготовки:
Сколько групп САПР предусматривала классификация по стандартам СССР? Охарактеризуйте каждую из групп.
Какие уровни автоматизации САПР существуют?
Каковы особенности западных и отечественных CAD/CAM/CAE систем ?
ГЛАВА 2 ПРИМЕНЕНИЕ САПР В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПОДРАЗДЕЛЕНИЯХ КУЗНЕЧНО-ШТАМПОВОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Производство кузнечно-штамповочных машин является достаточно высоко-технологичным, объединяющим в себя следующие отрасли:
1) конструкторско-технологическое бюро;
2) литейное производство;
3) кузнечное производство;
4) сварочное производство;
5) механообрабатывающее производство;
6) инструментальное производство;
7) сборочное производство.
Производство любого изделия начинается с конструкторско-технологического бюро, ведущие конструкторы которого выполняют техническую подготовку контрактов и принимают участие в отладке и сдаче заказчику под ключ прессов и автоматизированных комплексов и линий на их базе.
В этих случаях разрабатываются планировки линий и проектная документация на фундаменты для монтажа оборудования. Проектные работы включают в себя:
- оптимизацию технологического процесса;
- разработку инструмента;
- комплектование как вспомогательным оборудованием, так и средствами автоматизации и диагностики.
При этом с постепенным внедрением системы автоматизированного проектирования в конструкторских отделах привычное слово «кульман» все чаще заменяется словом АРМ (автоматизированное рабочее место. В настоящее время конструктора в своей работе используют персональные ЭВМ (IBM PC или совместимые компьютеры), графопостроители, лазерные печатающие устройства и другую технику.
Эффект от внедрения подобных технологий очевиден: производительность труда повышается в 2-3 раза, резко сокращается число ошибок.
Помимо того, в САПРе используются крупные пакеты программ математического моделирования, кинематики, динамики и расчета прочности проектируемого оборудования, конечным результатом использования которых является высокие эксплуатационные данные выпускаемого кузнечно-штамповочного оборудоваия.
Далее разработанная конструкторско-технологическая документация отправляется по производственным подразделениям, особенности основных из которых описаны ниже.
2.1. Сапр и литейное производство
Для изготовления большинства кузнечно-штамповочных машин желательно иметь литейное производство со технологическими мощностями, позволяющими изготавливать чугунные отливки массой до 30 т и габаритами 3500x2000x2000 мм, бронзовые отливки массой до 2,5 т и габаритами 1600x1600x600 мм.
При этом следует учитывать, что потребность в модельной оснастке из дерева и металла должна удовлетворяться собственными силами, для чего необходимо предусмотреть организацию модельного цеха (рис. 3).
Рис. 3. Участок модельного цеха
Основными направлениями в использовании ЭВМ в литейном производстве являются:
автоматизированное управление технологическими процессами производства отливок;
автоматизированное проектирование технологических процессов производства отливок;
учет и планирование производства и организационное управление литейным цехом (предприятием).
Использование систем автоматизированного проектирования технологических процессов литья (САПР ТПЛ) обеспечивает повышение технико-экономической эффективности литейного производства за счет сокращения сроков и снижения трудоемкости технологической подготовки производства новой номенклатуры отливок, уменьшения металлоемкости отливок и затрат на их механическую обработку, предупреждения образования дефектов в отливках.
Важную роль САПР ТПЛ играют в гибких производственных системах (ГПС), отличающихся необходимостью быстрой переналадки оборудования и быстрого изменения параметров производственного процесса при переходе к изготовлению новой номенклатуры отливок различной серийности.
ГОСТ 23501.0-79 выделяет следующие виды обеспечения, составляющие комплекс средств автоматизации проектирования:
математическое обеспечение – совокупность математических моделей, расчетных методов и алгоритмов;
лингвистическое обеспечение – совокупность языков программирования;
программное обеспечение – совокупность программ и эксплуатационной документации к ним;
информационное обеспечение – совокупность необходимых сведений, основой которой является автоматизированный банк данных, состоящий из баз данных (БД) и системы управления базами данных (СУБД);
техническое обеспечение – совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих технических средств, предназначенных для выполнения автоматизированного проектирования;
методическое обеспечение – совокупность документов, устанавливающих состав и правила выбора и эксплуатации средств обеспечения автоматизированного проектирования;
организационное обеспечение – совокупность документов, устанавливающих структуру проектной организации (пользователя системы).
САПР ТПЛ может быть трех уровней:
первый уровень – системы переработки готовой информации, в частности принятия типовых проектных решений или использования данных о групповых технологических процессах и единичных технологиях-аналогах;
второй уровень – системы анализа технологических решений на основе математического моделирования литейных процессов;
третий уровень – системы синтеза технологических процессов с их многоцелевой оптимизацией. В интегрированных автоматизированных системах все три уровня могут быть взаимосвязаны и дополнять друг друга при решении технологических задач.
К первому уровню САПР ТПЛ относятся информационно-поисковые системы (ИПС), предназначенные для информатизации проектных работ (подготовка, хранение, поиск и выдача готовой информации, необходимой для разработки технологического процесса литья).
В САПР ТПЛ второго уровня осуществляется математическое моделирование литейных процессов с использованием моделей, разработанных, главным образом, методами математической физики, решаются задачи анализа процессов формирования отливок. Это позволяет заменить производственное опробование вариантов технологических процессов при традиционном проектировании на их автоматизированный расчетный анализ в диалоговом режиме.
Для САПР ТПЛ третьего уровня характерна оптимизация результатов проектирования непосредственно в процессе решения технологических задач, синтезирование разнообразных параметров в единое технологическое решение. При этом часто используют программы решения задач анализа на основе математического моделирования, что позволяет разработать комплекс программ прямого расчета параметров процесса решения для трудноформализируемых технологических задач (например, выбор положения отливки в форме, типа литниковой системы), оптимизации технологических решений.
Комплекс задач, решаемых при проектировании литейных процессов, можно условно разбить на три группы: задачи, для решения которых используют известные справочно-нормативные материалы (назначение допусков на размеры и припусков на механическую обработку отливки, определение формовочных уклонов и размеров стержневых знаков и др.); задачи, решаемые расчетными методами с использованием разработанных математических (детерминированных) моделей, эмпирических формул и статистических моделей; задачи, решаемые на основе технологических рекомендаций, а также опыта технолога (эвристические задачи), в значительной степени определяющие исходный (базовый) вариант проектируемого технологического процесса (определение положения отливки в форме, поверхности ее разъема, количества стержней и их расположение в форме, типа литниковой системы и др.).
При разработке математической модели литейного процесса используют или составляютдифференциальные уравнения, описывающие механизм процесса и основанные на фундаментальных законах физики.
Для решения поставленной задачи дополнительно составляют условия однозначности – условия, характеризующие данный конкретный процесс и представляющие собой совокупность следующих условий: физического (физические свойства металла и формы), геометрического (конфигурация и размеры отливки и формы); начального (значения параметров процесса в исходный момент времени); граничного(условия взаимодействия отливки с формой и формы с окружающей средой, а также условия взаимодействия между зонами различных агрегатных состояний затвердевающей отливки и частями комбинированной формы). Совокупность начального и граничного условий называют краевым условием.
Система дифференциальных уравнений, описывающих механизм процесса, и условий однозначности представляет собой математическую модель литейного процесса. Для решения многомерных нелинейных, нестационарных задач, характерных для литейных процессов и описываемых дифференциальными уравнениями в частных производных, обычно применяют численные методы и вычислительную технику.
Особенностью численных методов является то, что искомая функция (например, температура) определяется не во всей области изменения непрерывных аргументов (координат, времени), а на дискретном множестве точек (узлов).
Частные производные, входящие в дифференциальные уравнения, заменяют разностными соотношениями. В результате система дифференциальных уравнений апроксимируется системой алгебраических уравнений, называемой разностной схемой. Для решения уравнений в частных производных используют три основных метода – метод конечных разностей (МКР), метод конечных объёмов (МКО) и метод конечных элементов (МКЭ), из которых МКЭ является более совершенным и универсальным. В ряде случаев имеющихся сведений о механизме процесса оказывается недостаточно для создания математической модели во всей ее полноте. Тогда на основе экспериментальных или литературных данных разрабатывают схему процесса, учитывающую влияние лишь важнейших факторов.
САПР ТПЛ позволяет использовать сканер для ввода чертежа детали в компьютер и открыта для совмещения со специализированными системами компьютерного моделирования литейных процессов (СКМ ЛП).
В качестве примеров отечественных и зарубежных разработок СКМ ЛП можно отметить:
Polycast (Кафедра физико – химии литейных сплавов и процессов, СПбГПУ) - интегрированная САПР, представляющая собой комплекс программ, автоматизирующих решение совокупности задач, возникающих при разработке литейной технологии: от выбора конструкции и определения размеров литниково–питающей системы до численного моделирования основных этапов процесса изготовления отливки ( заливка, затвердевание в форме, остывание на воздухе, термическая обработка) с диагностикой качества отливки, оптимизацией технологических параметров при заданных организационно – технических ограничениях, выдачей комплекта текстовых и графических технологических документов;
Полигон (ЦНИИМ, г.С.-Петербург) – позволяет моделировать процессы затвердевания, образования усадочных раковин, микропористости; развития деформаций в интервале затвердевания; для некоторых сплавов описывает процессы формирования структуры и распределение механических свойств; имеет специализированные модули для анализа процессов заполнения формы при специальных видах литья, обработки экспериментальных данных для адаптации системы к условиям конкретного производителя литья;
LVMFlow (Лаборатория математического моделирования, г.Ижевск) – система моделирования тепловых и гидродинамических процессов литья в реальных цеховых условиях для широкой номенклатуры сплавов, материалов формы при гравитационном литье и литье под давлением;
ProCast (VES.Inc, США) – моделирование литья в песчаную форму, специальные способы литья различных сплавов; позволяет моделировать процессы заполнения формы, прогнозировать структуру большинства многокомпонентных промышленных сплавов, осуществлять расчет остаточных напряжений и пластических деформаций в отливке;
MAGMASOFT (MAGMAGmb, ФРГ) – в базовом варианте моделирование литья в песчаную форму и кокиль, имеет дополнительные модули (литье под давлением, литье в безопочные формы, литье чугуна);
AFS Solidification System (Американское общество литейщиков) – моделирование процессов литья в песчаную форму, по выплавляемым моделям, в кокиль, под давлением;
EUCLID (MATRA, Франция) - система автоматизированного проектирования, подготовки производства и моделирования техпроцессов изготовления промышленных изделий, в частности отливок, практически любой сложности. Подсистема Simulor позволяет моделировать процессы литья в песчаную форму, кокиль, по выплавляемым моделям, самотёком или под давлением для отливок из стали, чугуна, алюминиевых, медных и жаропрочных сплавов.
Современные САПР литейной технологии позволяют реализовать компьютерную разработку технологии производства отливок, моделирование литейных процессов, проектирование и изготовление литейной оснастки.
Структуру и функции современной системы для разработки технологии производства отливок можно рассмотреть на примере комплекса пакетно-прикладных программ для компьютерной разработки технологии производства отливок в сырых песчано-глинистых формах (САПР “Отливка”), разработанных отечественными фирмами “Литаформ”, “НИИавтопром” и МАМИ.
Входящий в комплекс пакет программ ТОТЛ-1 обеспечивает: назначение точностных параметров отливки (классов точности размеров и массы, степени коробления и степени точности поверхности, допусков смещения по плоскости разъема, ряда припусков), допусков, припусков на механическую обработку, формовочных уклонов и припусков на усадку при проектировании модельно-стержневой оснастки; оценку технологичности отливки; расчет литниковых систем с учетом особенностей их типа и конструкции.
Особенностью САПР “Отливка” является общение технолога-литейщика с компьютером в диалоговом режиме, при этом окончательное решение принимает технолог. Модуль “чертеж отливки” обеспечивает выполнение процедуры выбора плоскости разъема при 2D(плоском) и 3D (объемном) проектировании и позволяет: назначить допуски и припуски дифференцированно на различные поверхности отливки; выбрать черновые базы механообработки; рассчитать количество отливок в форме; назначить формовочные уклоны и литейные радиусы; определить место подвода металла; разработать и оформить чертеж отливки в соответствии с требованиями ЕСКД.
В модуле “модельная оснастка” производится проектирование модели, дифференцированный расчет припусков на усадку модельной и стержневой оснастки, размещение моделей на плите с учетом трассировки литниковой системы. В модуле “расчет литниковой системы” кроме расчетных данных сечений литниковой системы выводится графическое изображение с линейными размерами.
Существующие СКМ ЛП позволяют еще на стадии проектирования литейной технологии выбрать оптимальный вариант, обеспечивающий получение качественной отливки при минимальных затратах на ее приготовление.
Однако следует учитывать, что промышленные литейные сплавы являются, как правило, многокомпонентными системами, при затвердевании которых действуют многочисленные, в том числе кинетические, факторы. В большинстве случаев полных многокомпонентных (в частности для более трех компонентов) равновесных, а тем более кинетических диаграмм состояния не существует.