Odborně-vzdělávací a zpravodajský portál z oblasti strojírenství a navazujících oborů
Články >> Akademie tváření: Počítačová podpora v technologických procesech
Chcete dostávat MM Průmyslové spektrum ZDARMA až do Vaší schránky? Více informací zde.

Akademie tváření: Počítačová podpora v technologických procesech

Přinášíme vám další díl naší Akademie, kterou pro vás ve spolupráci s odborníky Ústavu strojírenské technologie FS ČVUT v Praze a technickými specialisty firmy Trumpf připravujeme již druhým rokem. V jednotlivých příspěvcích se postupně věnujeme konkrétní technologii/technologiím zpracování plechu, jež je/jsou představena/představeny jak po teoretické stránce, tak následně v konkrétních aplikacích na strojích Trumpf. Volba témat je v souladu s technickými možnostmi, které nabízejí stroje právě výše zmíněného výrobce, jež bezesporu představuje špičku v oboru, a proto se na ni i redakce při tvorbě Akademie tváření obrátila.

Rádi přivítáme vaše připomínky jak ke koncepci seriálu, tak i k samotnému obsahu konkrétních příspěvků.

Za autorský kolektiv Roman Dvořák

roman.dvorak@mmspektrum.com

..............................

Rozvoj výpočetní techniky v posledních letech znamenal jeho průnik do řady lidských odvětví, výrobní technologie nevyjímaje. Moderní strojírenský průmysl si lze jen těžko představit bez počítačové podpory v oblasti konstrukčního návrhu dílu, systémů technologické přípravy výroby (TPV), ověření vyrobitelnosti apod.

Cílem počítačové podpory je obecně zvýšit produktivitu a kvalitu práce konstruktérů, technologů, nástrojařů, eliminovat manuální činnosti a plně využít potenciál, zkrátit průběžnou dobu návrhu technologického procesu a snížit náklady spojené s návrhovými procesy. Důležitou funkcí výpočetní techniky je uchovávat velké množství údajů a informací o aktuální výrobě a informačními toky provázat jednotlivé segmenty podniku.

Počítačovou podporu lze při zjednodušení a zaměření se na problematiku plošného tváření považovat za soubor počítačových programů pro konstrukci dílů, pevnostních výpočtů, návrhu výrobních nástrojů a technologie, ověření lisovatelnosti, ekonomické a kapacitní výpočty. Tyto systémy počítačové podpory lze členit na:

  • počítačově integrovanou výrobu (CIM - Computer Integrated Manufacturing
  • konstrukční softwary (CAD - Computer Aided Design
  • softwary pro systémy technologické přípravy výroby a plánování (CAPP - Computer Aided Process Planning
  • simulační softwary - počítačová podpora inženýrských prací (CAE Computer Aided Engineering
  • systémy řízení technologických procesů (CAM - Computer Aided Manufacturing
  • systémy řízení kvality (CAQ - Computer Aided Quality) a další.

Anotace
Systémy počítačové podpory v etapách výroby

Konstrukční systémy v plošném tváření

Pro návrh konstrukcí součástí vyráběných technologiemi plošného tváření se užívá standardních CAD systémů. Tyto softwary lze členit do souborů na skupiny malých, středních a velkých „CADů".

Skupina malých CAD systémů, někdy označovaná jako „CAD I. generace", umožňuje konstruovat zpravidla pouze ve  2D souřadném systému. Jsou to jednoduché programy určené pro tvorbu skic, nenáročných výkresových dokumentací apod. Neumožňují nám například sledovat vliv funkčních dvojic. Mezi softwary malých CADů patří například software AutoCAD LT.

Skupina středních CAD systémů (II. generace) tvoří rozhraní mezi malými a velkými CAD softwary. Umožňují nám vytvářet technickou dokumentaci a modelovat ve 2D i 3D souřadnicovém systému. Tyto programy mají otevřenou architekturu, což nám umožňuje spolupracovat s jinými aplikacemi. Představitelem středních CADů je například software MicroStation.

Poslední skupina tzv. velkých CADů patří k vrcholu užívaných konstrukčních systémů s přímou návazností na CAM a CAE. Umožňují nám vytvářet parametrické modelování, což znamená, že rozměry a další charakteristiky modelu nemusí být zadávány exaktně, ale mohou být definovány pomocí proměnných výrazů a rovnic, které spolu souvisejí a vzájemně interagují. Představitelem těchto systémů III. generace jsou například CATIA, Pro Engineer a další.  

V oblasti plošného tváření se setkáváme se všemi druhy konstrukčních CAD systémů, a to nejen v konstrukčním návrhu lisovaného dílu, ale také s nástroji, přípravky apod. Výstupem konstrukčního řešení by měla být příprava výkresové dokumentace, ověření kinematiky pohybu funkčních částí navrženého nástroje či přípravku, podklady pro další systémy, jako jsou například CAM systémy, projektové řešení (např. hledání maximálního využití materiálu) apod.

Počítačová podpora v oblasti technologické přípravy výroby

Počítačová podpora v oblasti technologické přípravy výroby (TPV) je zaměřena především na snižování časového rozmezí od návrhu konstrukce lisovaného dílu po jeho fyzickou realizaci a zahrnuje technicko-organizační opatření a činnosti vedoucí k přípravě výrobní, konstrukční, technologické a projektové dokumentace. Virtuální příprava technologického procesu nám pomáhá v odstranění potenciálních chyb v počátečních fázích přípravy technologického procesu, zjednodušuje práci konstruktéra a urychluje ji.

Anotace
Ukázka digitální konstrukce nástroje pro technologie stříhání firmy FaM Tools

V oblastech plošného tváření se v rámci TPV uplatňují softwary, které napomáhají k rychlé konstrukci nástroje, definicím technologických parametrů, jako je rozvin součásti, definování tvaru přístřihu, výpočet střižných, tažných a ohybových sil, stanovení součinitele využití materiálu apod.

Důležitou oblastí, kde se prosazují softwary pro podporu TPV, je zejména problematika stanovení rozvinutého tvaru součásti. Softwary v tomto případě pracují na základě analytických a konečněprvkových metod, v rámci nichž lze posuzovat technologičnost rozvinu. Softwary nám umožňují sledovat možné defekty v oblastech výlisku již v době, kdy není známa konstrukce nástroje, a konstrukci nástroje lze podřídit technologickým podmínkám výroby (vícenásobné ohyby nebo tahy). Stanovit rozvinutý tvar součásti lze dnes i za pomoci konstrukčních CAD systémů, které nám však neumožňují sledovat technologičnost rozvinu.

Nedílnou součástí TPV je i konstrukční návrh výrobních nástrojů. V této oblasti se setkáváme se softwary s parametrickým modelováním a rozsáhlými databázemi normálií. Primární informací pro konstrukci nástroje je rozvinutý tvar součásti a požadovaný - finální - tvar. Z dílu rozvinutého do roviny lze rychle sestavit střižné pole ve 3D zobrazení. Většina komponentů se zpracovává ve vztahu k ose neutrálního vlákna. Výstupem je zpravidla kompletní nástrojová sestava včetně modelů jednotlivých desek střižného nástroje, modelů střižníků, ohybníků, vložek střižné desky a kusovník všech normálií, ze kterých se nástroj sestává.

Je nutné si uvědomit, že systémy TPV jsou poměrně složité s řadou dílčích podsystémů, které využívají společnou databázi. Důležitým předpokladem je funkce zpětných vazeb, které pomáhají v úzké spolupráci s okolím, např. s útvary řízení kvality, údržbou nástrojů, nákupem materiálu apod. 

Numerické modelování plošného tváření

Simulace výrobního procesu lze chápat jako experimentování s počítačovým modelem reálného systému. Numerické simulace v oblasti výrobních technologií nám umožňují sledovat a optimalizovat výrobní proces ve virtuální sféře a předcházet tak vzniku chyb, které by se mohly projevit až v oblasti realizace prototypu či finálního dílu. Takové postupy pochopitelně šetří čas a náklady při návrhu výrobního procesu.

Simulační softwary většinou pracují s metodami konečných prvků (FEM - Finite Element Method). Základní princip spočívá v rozdělení funkčních částí nástrojů, materiálu polotovarů (přístřihů) na elementární díly (konečnoprvkovou síť). Systém řeší matematickými modely vazby mezi jednotlivými prvky sítě za dodržení určitých podmínek, které nazýváme okrajové.

Hodnověrné závěry získané numerickými simulacemi musejí být podmíněny správným zadáváním vstupních dat (okrajových podmínek). Problematika zadávání těchto dat pro numerické simulace je značně široká. Mezi vstupní data potřebná pro numerické simulace plošného tváření patří geometrie činných ploch tažníku, tažnice, přidržovače, případně brzdicích drážek, geometrie, tloušťka přístřihu a orientace vůči směru válcování, kinematika procesu, definice kontaktních ploch a přidružených součinitelů tření, mechanické vlastnosti materiálu, numerické parametry úlohy a jiné.

Anotace
Příklady analýzy několika typů odpružení pomocí numerických simulací

Výstupem simulačních softwarů je monitorování veličin, které charakterizují fyzikální změny v průběhu procesu, například sledujeme velikost napětí a deformací v tvářeném materiálu a tvářecím nástroji, deformační tok materiálu, velikost sil působících na tvářecí nástroj a další.

Na dnešním trhu se vyskytuje celá řada softwarů pro numerické simulace technologických procesů (tváření, slévání, svařování, crashové zkoušky apod.). Tyto softwary mají vesměs stejnou architekturu založenou na modulovém uspořádání:

  • databáze - jsou pomocným modulem pro sestavení úlohy. Jedná se o předdefinované mechanicko-fyzikální vlastnosti materiálu, technické údaje o používaných strojích apod.;
  • preprocesor - modul zajišťující vytvoření výpočtové úlohy. Vtomto modulu lze importovat data nástrojů a polotovarů, definovat výpočtové sítě, přiřadit fyzikální vlastnosti materiálu, nastavit kinematiku procesu apod.;
  • procesor (řešič) - modul zajišťující výpočet úloh;
  • postprocesor - slouží kvyvolání dat a analýze výsledků.

V oblasti plošného tváření se na tuzemském trhu objevují hlavně softwary PamStamp, AutoForm, LS Dyna a Stampack.

Zhodnocení

Moderní počítačové systémy jsou bezesporu důležitým pomocníkem při řešení problematiky v oblasti technologií plošného tváření. Je nutné si však uvědomit, že jde pouze o prostředek, který napomáhá v rozhodovacích procesech. Je mylné se domnívat, že získané výsledky jsou správné a reálné.

Poměrně často diskutovanou problematikou jsou náklady na pořízení licencí k systémům počítačové podpory. Přínosy i náklady se velmi liší případ od případu a nedají se předem jednoznačně určit, protože jsou odvislé od konkrétního projektu. Náklady na simulaci záleží i na tom, zda jde o první, pilotní projekt, či o opakovaný projekt. Ze zkušeností se ukazuje, že při včasném a správném nasazení simulace je možné dosáhnout přínosů několikanásobně vyšších, než jsou náklady s ní spojené. Kvalitativní faktory přitom mohou vést ještě k dalšímu výraznému zlepšení ekonomických výsledků.

Ing. František Tatíček

Ing. Tomáš Pilvousek

Ing. Martin Kubelka

ČVUT, FS v Praze

frantisek.Taticek@fs.cvut.cz

On-line verzi časopisu MM Průmyslové spektrum si můžete nově zakoupit v digitální trafice PUBLERO .  

Další články

Výzkum/ vývoj
CAD/CAM/CAE/CIM
Technologie tváření, slévárenství

Komentáře

Nebyly nalezeny žádné příspěvky














Sledujte nás na sociálních sítích: