Главная » Статьи Комплексная автоматизация проектирования, изготовления, контроля и сопровождения оснастки для производства холоднокатаных труб и специальных профилей
Не сходятся кромки листа при сварке. Изделия деформируются при обрезке в размер. Волнообразная кромка и деформации симметрии профиля снижают качество продукции… Все эти дефекты холоднокатаных профилей выявляются во время тестовых прогонов (при проверке и обкатке новой оснастки прокатных станов) практически на каждом российском предприятии. А может ли быть по-другому? Конечно, может…
Не секрет, что за последние годы средства автоматизации проектирования шагнули далеко вперед. Разработаны целые комплексы программных и программно-аппаратных решений, предназначенных для автоматизации инженерных задач в специализированных областях. Одной из таких областей является холодный прокат профилей (и труб как одного из подвидов профиля).
В предыдущих номерах журнала мы рассмотрели вопросы проектирования роликовой оснастки для холодного проката профнастилов и специальных профилей, возможности проектировочного анализа и автоматического документирования проекта с формированием полного комплекта чертежей, контуров и NC-программ для станков с ЧПУ. Но стоит отметить, что существует решение и всего комплекса задач, от проектирования и изготовления до контроля качества, реинжиниринга и обновления оснастки, то есть сопровождение всего жизненного цикла оснастки на предприятии-изготовителе профильного проката. Решение это называется COPRA Rollform + COPRA FEA + COPRA Rollscanner.
Начнем с проектирования.
Наиболее изведанной для COPRA областью холодного проката является прокат сварных круглых и квадратных труб. Разработан специальный модуль, обеспечивающий практически автоматическое проектирование как цветка развертки (последовательности раскрытия профиля в стане), так и роликовой оснастки со всеми необходимыми чертежами. В нестандартных ситуациях используются те же средства, которые предназначены для специализированных профилей и профнастилов.
Каким образом осуществляется автоматическое проектирование?
Всё начинается с создания шаблона последовательности формообразования. Этот шаблон включает описание прокатного стана (общее количество клетей, формообразующие клети, способ формообразования в каждой клети — за счет боковых или верхнего и нижнего роликов, четырехвалковая калибровка в размер или придание нужной формы, сварная клеть и другие особенности конструкции стана).
Для прокатного стана, на котором может изготавливаться несколько диаметров или типоразмеров труб, данная последовательность прописывается один раз.
Последовательность формируется исходя из набора типовых вариантов реализации клетей, а варианты определяются как набором задаваемых размеров, так и способом формообразования.
После задания последовательности и количества формующих клетей для каждого этапа задаются параметры формообразования.
При расчете цветка необходимо задать диаметр трубы, номинальную и минимально допустимую толщину стенки, выбрать методику расчета ширины штрипса. Помимо этого следует указать величину зазора под сварку и другие коэффициенты компенсации ширины штрипса, которые повлияют на поведение материала в процессе калибровки трубы.
Для каждого шага формообразования также выбираются методика расчета и деление половины сечения трубы (штрипса) на дуги: в сечении их может быть от одной до четырех. Для каждой дуги задаются угол раскрытия и радиус, что позволяет описать практически любую последовательность формообразования, в том числе W-образную подачу штрипса в первую клеть. Контроль штрипса при этом можно осуществлять как по длине дуг, так и по ширине штрипса на каждом этапе формообразования. Финальный штрих — задание контроля овализма трубы, после чего можно нажимать одну из двух больших красных кнопок: Генерация цветка или Одновременная генерация цветка и конструкции роликов.
В первом случае мы сможем впоследствии воспользоваться средствами автоматизированного проектирования оснастки, а во втором вся оснастка формируется автоматически и всё, что от нас потребуется, это отредактировать параметры полученной оснастки и сформировать конструкцию сварного ролика.
Выбрав любую из двух кнопок, мы получим пестрый цветок формообразования трубы, а во втором случае — еще и структурированный проект с описанием каждого ролика. Это пока еще не готовый проект, а набросок с учетом возможностей компьютера. Далее инженеру необходимо пройти по каждой клети и отредактировать в диалоге параметры роликов: диаметры элементов ролика и радиуса скругления, углы совпадения с рельефом профиля, величины зазоров
Проектировочный расчет дает представление о растяжении материала в направлении проката на основе аппроксимации листа каркасной сеткой.
Полученная информация используется инженером для равномерного распределения нагрузок на каждой из клетей — за счет корректировки величин углов схождения дуг, используемых для описания профиля на каждом этапе формообразования. Как результат мы получаем близкую к оптимальной технологию формообразования профиля трубы.
Сохраняем этот шаблон, на его основе автоматически формируются конструкции роликов и их чертежи для производства труб любых других диаметров. Необходимость внесения изменений в конструкцию для нового диаметра мгновенно определяется данными проектировочного расчета, а изменения вносятся параметрическим способом.
Подобная технология как для труб, так и для специальных профилей и профнастилов позволяет устранить до 80% проблем, ранее выявлявшихся только на этапе тестовых прогонов прокатного стана и напрямую связанных с процессом проектирования.
Остальные 20% приходятся на сложные или неоднозначные ситуации, а также ошибки изготовления оснастки, не обнаруженные на стадии контроля оснастки в инструментальном производстве.
Что подразумевается под сложными и неоднозначными ситуациями?
Во-первых, это создание профилей из специализированных материалов с малоизученным поведением при холодном прокате — например, из титановых сплавов. Во-вторых, это задачи, связанные со сложными асимметричными профилями, формообразование которых затруднено высокой подверженностью скручиванию, сложностью доступа роликов к отдельным элементам профиля, необходимостью деформации материала, высокими требованиями к точности при ограниченных возможностях производства. Третью группу составляют ситуации, связанные с необходимостью учитывать влияние перфорации на поведение листа в прокатном стане.
Всё перечисленное можно учесть только с помощью тестовых прогонов или путем их моделирования в виртуальном прокатном стане. В семействе COPRA Rollform таким виртуальным станом служит система конечно-элементного анализа COPRA FEA RF с всемирно известной системой MSC.Marc в качестве решателя.
Для запуска задачи на расчет используется специально разработанный препроцессор. В нем описываются эластичные и пластические свойства материала, параметры формирования конечно-элементной сетки (длина тестового куска материала, количество слоев и плотность элементов в различных направлениях) и характеристики процесса — использование разрезных листов или рулона с декойлером, наличие клети со сваркой и ее положение, наличие поддерживающих роликов на входе штрипса, анализ величины скручивания профиля после обрезки в размер, наличие самоконтакта штрипса (нулевой зазор между отдельными элементами профиля в процессе проката). На основании этих характеристик MSC.Marc под руководством COPRA FEA RF за несколько часов создает виртуальную модель проката профиля с учетом всех роликов и испытываемых напряжений (длительность процесса зависит от сложности профиля, выбранных настроек и аппаратного обеспечения — она может варьироваться от 2−3 часов до нескольких суток).
Для чего нужна такая модель? Конечно-элементное представление прокатного стана позволяет смоделировать весь процесс формообразования как по шагам, так и в виде анимационного ролика, демонстрирующего испытываемые напряжения, пластические деформации и эластичное восстановление материала, получаемую форму листа. Это укрупненный взгляд на протекающие процессы.
Приступив к их подробному изучению, мы можем получить следующую информацию:
- Для каждой клети определяется зона трехмерного контакта листа с роликом. Это позволяет определить точные зоны соприкосновения в трехмерном пространстве, а также момент начала формообразования и связанные с этим деформации листа. При наличии математической модели можно определить величины всех зазоров, деформаций и напряжений в формообразующей клети и межклетьевом пространстве — так, как если бы эти замеры проводились во время тестовых прогонов стана.
- Виртуальные ролики оставляют при формообразовании все технологические дефекты. В процессе визуализации можно увидеть волнообразную кромку, асимметрию профиля, изменение геометрии перфорации и самого профиля. Преимущество виртуального стана в том, что он позволяет мгновенно пробежаться по всем основным сечениям профиля в процессе проката и сравнить получаемое сечение с проектируемым, замерить отклонение, сравнить с допуском на данный профиль и проверить, будут ли обеспечены подходящие условия для процесса сварки, получатся ли ровными шов и кромка или все эти дефекты появятся в готовой продукции.
- Иногда бывает сложно определить, почему в процессе проката материал находит буквально любую щель, деформируется и видоизменяется, «утекает» сквозь зазоры между роликами, выходит из направляющих. Как правило, всё это связано или с дефектами изготовления, или с недостатками проектирования оснастки. Последние очень легко выявляются при моделировании процесса методом конечных элементов. Система сама показывает инженеру, каким образом материал будет течь и менять свою форму, какую нагрузку будут испытывать края металла и сопрягающиеся поверхности штрипса (и соответственно величины утолщения или утонения стенок профиля в процессе формообразования), их уход, скручивание от заданного положения. Получить такую информацию можно как в продольном сечении, так и в поперечном или в трехмерном представлении. Замер этих величин на готовом профиле всегда достаточно трудоемок, а зачастую и невозможен без специальных методов испытаний и контроля.
- Энергетические характеристики — требуемая мощность на валу, усилие, тепловые характеристики, остывание сварного шва, так же как и реальное распределение нагрузок — это тоже прерогатива системы конечно-элементного анализа: она предоставляет инженеру-конструктору всю необходимую информацию, которую впоследствии можно использовать для проектирования не только оснастки, но и самого прокатного стана.
- Ну и, наконец, финальный профиль. Насколько он будет совпадать с тем, что нам заказали? Находится ли он в пределах заданных допусков? Что будет после его обрезки в размер? При изготовлении сложных и дорогостоящих профилей ответы на эти вопросы становятся одними из самых важных. И здесь опять нам может помочь виртуальное моделирование процесса.
Таким образом, моделирование процессов проката — это не только и не столько создание красивой картины процесса. Прежде всего это возможность получить все его характеристики, необходимые для правильного проектирования инструмента, и оптимизировать процесс, не приостанавливая производство. Кроме того, не приходится расходовать средства на достаточно дорогие материалы, используемые в тестовых прогонах.
А как быть с проблемами, связанными с погрешностью изготовления оснастки? Ответ очень прост: необходим повышенный контроль качества изготовления оснастки. Опыт показал, что традиционные координатно-измерительные машины не гарантируют стопроцентной точности совпадения проектируемого и изготавливаемого инструмента даже в пределах допуска. Связано это с тем, что такие машины способны, например, измерить координаты начала и конца формообразующей дуги ролика и соответствующей дуги ответного ролика, но не позволяют измерить радиусы этих дуг. В результате при изготовлении оснастки для нового профиля ошибка на доли миллиметра может привести к существенным сложностям и невозможности запуска изделия в производство, поскольку выявить саму проблему будет весьма затруднительно.
Решение было найдено несколько лет назад разработчиком COPRA Rollform — немецкой компанией data M. Это лазерный программно-аппаратный измерительный комплекс COPRA RollScanner, представляющий собой трехмерный сканер роликовой оснастки и интерфейс для обработки результатов сканирования.
Принцип работы системы несложен. Фотокамера сканирует наружный профиль ролика и формирует его контур, который обрабатывается специальной программой.
В эту же программу подгружаем контур ролика, спроектированного с помощью COPRA Rollform, и получаем график отклонений сканированного результата от идеального контура, полученного из САПР. Если результат оказывается в пределах допустимых отклонений, ролик запускается в производство, если же нет — устраняются погрешности.
Точность сканирования профиля ролика достигает 0,01 мм, благодаря чему обнаруживаются минимальные дефекты поверхности.
Эта же технология позволяет контролировать износ роликов и определять возможность их дальнейшего использования в процессе производства. Отсканированные ролики вставляют в проект вместо спроектированных и запускают процесс анализа с помощью COPRA FEA RF — полученные результаты продемонстрируют влияние малейшего износа или дефектов ролика на процесс производства.
Ну и последнее: COPRA RollScanner можно применять для обратного инжиниринга, отсканированный ролик или срез профиля может использоваться для создания нового проекта подготовки производства. Зачастую это помогает быстро наладить выпуск даже самой сложной продукции.
- 21 декабря 2004 г.