Трохи про прес-формах

У даній статті хотілося б в першу чергу розглянути не тільки проблеми конструювання технологічної оснастки як такої, скільки проблеми безпосередньо автоматизації конструкторських робіт і застосовуються для цього методи. Це можливо розглянути на прикладі прес-форм для лиття під тиском.

Безліч предметів, що оточують нас у повсякденному житті, зроблено з пластмас або містить в собі пластмасові деталі. Більш того, пластмаса особливо часто зустрічається в найбільш сучасних конструкціях, і чим сучасніше предмет, тим більша ймовірність, що він зроблений практично повністю з синтетичних матеріалів. Не тільки корпусні деталі, але і часто несучі елементи, і численні деталі механізмів намагаються робити з пластмас. А якщо взяти до уваги таку галузь, як виробництво товарів народного споживання, то полімери не тільки зайняли там свою нішу, а й істотно потіснили традиційно використовувалися матеріали.

З чим же це пов'язано?

Як метали та інші матеріали, що використовуються людиною в виробництві, пластмаси представляють собою конструкційний матеріал. Але розглядати їх як всього лише конструкційний матеріал невірно.

Полімери мають цілу низку унікальних у своєму роді властивостей. Більшість пластмас чудово піддається фарбуванню, володіє відмінними електро- і теплоізоляційними властивостями [1].

Але найголовніше і найцінніше властивість - пластмасі в порівнянні з металом або іншим конструкційним матеріалом легше надати необхідну форму. Досить правильно побудувати формоутворювальну порожнину, і ми зможемо отримати практично необмежену кількість однотипних деталей. А для отримання тих же самих деталей з металу доведеться робити або операції штампування, або операції різання, або інші, досить складні технологічні процеси.

Сукупність усіх цих властивостей визначає масове використання полімерів в сучасній промисловості.

Полімерні деталі отримують за допомогою прес-форм. Сам по собі процес виготовлення прес-форм досить складний, і пов'язаний з чималими витратами. Але, як вже говорилося, одного разу зробивши прес-форму, можна отримати досить багато деталей. Отже, виготовлення деталей за допомогою прес-форм може окупитися тільки при масовості продукції, що випускається. Чим більше деталей, одержуваних в короткі терміни - тим швидше окупляться прес-форми.

Виходячи з цього, можна сформулювати дві основні задачі до процесу проектування та виготовлення прес-форм - зробити якомога дешевше і як можна швидше, при заданій якості одержуваної продукції.

Перше завдання логічно випливає із завдань самих пластмасових деталей. Як вже говорилося, прес-форма може окупитися тільки при масовості продукції, що випускається. Але що робити, якщо деталей потрібно мало, і деталі потрібні саме з полімерів - з іншого матеріалу не підходять з технологічних міркувань, часто тому, що інший спосіб отримання партії деталей ще дорожче. Значить, все-таки необхідно робити прес-форму, використовувати Термопластавтомат, закуповувати матеріал на ці деталі і так далі. Найбільш очевидний спосіб заощадити в виробництві - це зробити процес виробництва якомога дешевше. Цього можна домогтися використанням баз даних стандартизованих деталей - ГОСТ, стандартів фірм-виробників прес-форм (EMC. DME та інших). Стандартні деталі з вже відпрацьованою технологією їх виробництва, взаємозамінні, допомагають уніфікувати процес виробництва прес-форм. Можна також ретельно розраховувати, скільки і куди матеріалу і енергії необхідно докласти для досягнення найкращого результату - це нам допоможе зробити CAD - CAE-системи. Це теж допоможе заощадити на матеріалі і енергії, не вкладати зайвого в конструкцію.

Тобто, використання стандартизації і засобів автоматизації проектування дозволяє зменшити собівартість продукції і час проектування.

Друге завдання пов'язана з тим, що цей продукт має якнайшвидше виникнути на ринку. Жорстка конкуренція в промисловості за останні роки тільки загострилася, проводиться безліч товарів, які по суті своїй є однотипними. І споживач часто вибирає по якомусь невеликому ряду властивостей. Наприклад, пропонується новий виріб з мінімумом нових функцій, але корпус вироби і розташування керуючих елементів абсолютно інше, відмінне від старого. Покупцям це подобається, і виріб починає користуватися попитом. Але конкуренти теж розробляють свій дизайн, створюють свою лінію, і скоро вже їхня продукція починає користуватися попитом. І, якщо не створювати в найкоротші терміни чогось нового, то ви дуже швидко можна виявити, що купують не вашу продукцію, а продукцію конкурентів.

Методи, застосовані для вирішення першого завдання, також застосовні і для вирішення другого завдання. Взявши заготовку з бази даних, немає необхідності проектувати заново плиту, втулку, штовхач або іншу деталь набору прес-форми, швидше вести сам процес проектування. І фактично всі проектування можна звести лише до побудови нових формотворчих елементів, що стало б ідеальним варіантом.

Розглянемо докладніше САПР.

Безперечно, що робота в середовищі САПР може прискорити і здешевити процес проектування. Але більшість САПР створюються з урахуванням того, що з їх допомогою можна буде створювати які завгодно конструкції. Сам об'єкт проектування спеціально не обговорюється. А тим часом в проектуванні конкретних груп об'єктів - наприклад, штампів - існує свій набір прийомів, які дозволяють прискорити сам процес проектування саме цих об'єктів, і мало застосуємо до інших об'єктів виробництва. Наприклад, набір стандартних деталей, кошти з розрахунку і вибору типу штампа і т.д. І дані речі навряд чи можуть стати в нагоді при проектуванні чогось іншого.

Те ж саме відноситься і до всіх інших конструкцій.

Зробити повну систему автоматизованого проектування, такий собі глобальний САПР, який буде враховувати проектування всіх взагалі об'єктів, вкрай складно. Витрати на дану систему ніколи не будуть відшкодовані, система просто не окупиться - занадто специфічним буде область використання такої системи, занадто велика буде її складність.

І тому намагаються створити якийсь усереднений CAD. ядро, в якому теоретично можна створити все, що завгодно, але на середньому рівні. Тобто, при роботі з CAD частиною врешті-решт будуть отримані тривимірна твердотільна модель об'єкта виробництва, будуть отримані також його креслення.

Знову повернемося до другої задачі, яка описана вище. Нам необхідно зробити якомога швидше, але, нагадаю, без шкоди для якості! І ще оцінити той варіант, який для нас буде найбільш дешевий, тобто пов'язаний з найменшими витратами на виробництво.

Сам CAD. що включає в себе тривимірне твердотельное проектування, як такої, дає нам дуже велику гнучкість в проектуванні і перебиранні варіантів конструкцій, але все одно швидкість виявляється явно недостатньою.

І тоді в світі було знайдено інше рішення. Якщо не можна отримати повністю автоматизовану систему проектування, чому б не автоматизувати проектування окремих груп об'єктів?

Тобто, до основної програми САПР пропонується якесь додаток, програмний модуль, що працює з основною програмою, який містить все необхідне для проектування конкретної конструкції.

Використання даних модулів дозволяє скоротити час на проектування ще сильніше, ніж при роботі тільки з одним CAD -ядро, і разом з тим не перевантажує основну програму непотрібними функціями. Основна програма служить як би ядром, на якому базуються допоміжні модулі.

Практично всі сучасні САПР пропонують рішення з проектування прес-форм. Отримувані комплекси з підготовки виготовлення прес-форм-ядро- CAD і програмний модуль, що містить спеціальні функції для допомоги в процесі проектування прес-форм - використовуються дуже широко як за кордоном, так і в нашій країні.

При цьому рівень автоматизації і участі користувача в процесі проектування прес-форм в деяких випадках різняться досить значно.

Рівень автоматизації - це основна проблема, з якою стикаються при створенні подібних програмних модулів. Власне, це та ж сама проблема, з якою зіткнуться розробники глобального САПР - не ясно, який саме рівень автоматизації віддати перевагу.

Чим більше автоматизація, тим менше часу витрачає людина на проектування, і навпаки. Але при великому рівні автоматизації написання програми представляє певну складність - і треба також врахувати, що проектування веде перш за все людина, а не комп'ютер. Залежність видно на графіку.

Складну, повністю автоматизовану систему створити вкрай складно, вона не окупить витрати на своє створення. Але, з іншого боку - якщо вже створюється програмний модуль для автоматизації проектування, він повинен забезпечувати саме автоматизацію, а не бути простим придатком до «ядра» - основній програмі.

Досвідченим шляхом було встановлено, що найкраще рішення лежить посередині. І це рішення полягало в тому, щоб основні точки прийняття рішень залишити за людиною, а дрібні дії (вибір гвинтів, створення складальних сполучень та інше), на які і йде досить багато часу - автоматизувати, додати бібліотеки стандартів, бібліотеки конструкторських рішень, різні способи параметризації. Тобто комп'ютер ні в якому разі не керує діями людини, а цілком допомагає йому там, де людина запросить допомоги. Передбачається, що людина вже має основні знання з проектування прес-форм, а комп'ютер всього лише допомагає йому їх правильно застосувати, уникнути грубих помилок, які неминуче виникають в процесі людської діяльності.

Простіше кажучи, від людини вимагається лише загальне розуміння проблеми - скажімо, що ось саме ці дві конкретні плити повинні бути скріплені, а комп'ютер вирішує приватні завдання - наприклад, якими болтами ці плити кріпити.

І в зв'язку з рішенням завдання автоматизації в світовій практиці з'явилося поняття - «Майстер-процеси».

Зрозуміло, що проектування схожих конструкцій ведеться схожим чином. Сам шлях проектування однаковий багато в чому, відрізняється тільки незначними деталями. І можна як би запам'ятати основні кроки, точки прийняття рішення, і при підготовці наступного схожою конструкції рухатися через ці точки.

Даний спосіб проектування дуже зручний не тільки з технологічної точки зору, але і з точки зору автоматизації. Виходить, що ми як би створюємо бази даних, в які закладаємо процес конструювання і технологію виробництва. Автоматизація - розрахунки і бази даних стандартних елементів включаються в процес проектування по необхідності.

При використанні майстер-процесів з'являється унікальна можливість накопичення знань, і, відповідно, створення так званих «баз знань» - сукупності конструкторських і технологічних рішень. Перш за все треба відзначити те, що пропонуються саме технологічні рішення, що важливо. Мало сконструювати предмет, треба ще його втілити в життя - а з накопиченням саме технологічної інформації завжди були труднощі.

Отже, як же використовують майстер-процеси на практиці?

Розглянемо програму Mold Wizard, рішення фірми EDS. спрямовану на проектування прес-форм для литися під тиском в середовищі Unigraphics NX.

Unigraphics NX сам по собі представляє чудові конструкторські можливості по реалізації практично будь-якого виробу. Операції з твердими тілами і поверхнями вельми різноманітні, є безліч найрізноманітніших надбудов і модулів, добре опрацьована параметризация і створена структура накопичення конструкторського і технологічного досвіду - ті самі майстер-процеси.

Система чудово зарекомендувала себе за минулий час. Головна її область застосування там, де необхідно не тільки швидко створювати досить різноманітні конструкції, але і працювати з технологічною частиною виробництва. Unigraphics забезпечує не тільки конструкторський цикл, що він робить чудово, але також і цикл технологічний - зокрема, створення керуючих програм для верстатів з ЧПУ.

Mold Wizard покликаний вирішити більшу частину питань конструювання, цілком допомогти розробнику прес-форм - не самому зробити прес-форму за людину, а саме допомогти. Особливо наголошується, що Mold Wizard розрахований на людей, які вже мають початкові знання про проектування прес-форм. Цикл проектування в Mold Wizard зроблений з урахуванням майстер-процесів - конструктор за допомогою Mold Wizard як би вирішує ряд завдань, які перед ним ставить система. Тобто, як уже говорилося раніше, людина отримує допомогу від комп'ютера там, де вона дійсно необхідна йому.

Нижче приведена головна робоча панель Mold Wizard.