Листовое моделирование в контексте работы с CAD/CAM-системами относится к процессу создания и редактирования 3D-моделей, представляющих собой детали из листового металла. Этот вид моделирования специально адаптирован для работы с плоскими заготовками, которые в дальнейшем трансформируются в сложные трехмерные объекты путем гибки, штамповки, вытяжки и других операций.
Цель данной статьи — раскрыть принципы листового моделирования в геометрическом ядре C3D Modeler.
Особенности листового тела
При проектировании листовых деталей конструктор должен учитывать технологические ограничения, связанные c материалом, листогибочным инструментом и оборудованием. Некоторые из них можно задать при настройке листовой заготовки в программном обеспечении. Листовая модель представляется как тонкая твердотельная структура со следующими параметрами.
- Толщина листового тела — поскольку детали изготавливаются из единого листа металла, тело должно иметь одинаковую толщину по всей поверхности.
- Линия сгиба — линия на поверхности тела, которая определяет конец плоского участка и начало изгиба.
- Радиус сгиба — радиус кривизны внутренней поверхности изгиба. Измеряется как расстояние от оси изгиба до поверхности листа. Чтобы избежать разрушения металла и сохранить его прочность, нельзя использовать радиус менее минимально допустимого.
- Угол сгиба — угол между исходным (разогнутым) и конечным (согнутым) положением двух сопряженных участков листа.
- Коэффициент К — безразмерная величина, определяющая расположение нейтрального слоя (слой в материале без растяжения и сжатия при сгибе) относительно толщины листа при изгибе. Он рассчитывается как отношение расстояния от внутренней поверхности изгиба до нейтрального слоя (t) к общей толщине материала (T): K = t / T. Коэффициент К важен для точного расчета припуска на изгиб и зависит от свойств материала, радиуса изгиба и угла.
Геометрическое ядро C3D поддерживает методы, которые позволяют строить модели деталей из листового металла. Это методы создания листовых тел: пластины и обечайки, а также операции над листовыми телами: сгибы, подсечка, развертка, замыкание углов и др.
Методы создания листовых тел
C3D Modeler поддерживает несколько способов построения листовых тел при моделировании. Рассмотрим каждый из них.
Метод построения листового тела выдавливанием плоских контуров
Этот метод похож на операцию выдавливания в твердотельном моделировании. Если контуры замкнутые, то листовое тело строится c заданной толщиной. Если контуров несколько, один из них обязательно должен быть внешним и содержать внутри себя остальные контуры. В этом случае внутренние контуры формируют вырезы.
Рис. 1. Листовое тело, построенное по нескольким замкнутым эскизам
Если контуры незамкнутые, то листовое тело строится выдавливанием на заданные расстояния. Контурам придается толщина листового тела в ту или иную сторону. Если контур уже содержит дугу, то она должна гладко стыковаться с соседними сегментами. Только в случае незамкнутых контуров возможно построение листового тела со сгибами.
Рис. 2. Листовое тело, построенное по незамкнутому эскизу, содержащему дугу и пару стыкующихся под углом отрезков
Метод построения обечайки
Обечайка строится по одному или двум плоским контурам. В случае одного контура обечайка строится выдавливанием и приданием толщины получившейся поверхности. Если контур замкнут, то в нем создается зазор в указанном месте.
В случае построения обечайки с уклоном возможно создание конических или цилиндрических сгибов, сохраняющих радиус в месте скруглений изначального контура. Возможна сегментация дуг контура, когда дуга заменяется набором аппроксимирующих ее отрезков.
Рис. 3. Обечайка, построенная с сохранением радиуса сгиба
В случае построения обечайки по двум контурам сегменты контуров соединяются линейчатыми поверхностями, которым потом придается толщина. Контуры, во избежание перекрученных поверхностей, разбиваются на более мелкие сегменты в автоматическом или ручном режиме.
Рис. 4. Обечайка, построенная с сегментацией дуг второго контура
Преобразование произвольного тела в листовое
Этот метод позволяет преобразовать твердое тело в листовое. Он может потребоваться, если деталь изначально строилась методами твердотельного или поверхностного моделирования или была импортирована. Преобразование в листовое тело происходит на основе базовой плоской опорной грани. Каждое выбранное ребро сгиба включает в построение листового тела новую грань. Первое ребро должно быть смежным к базовой грани. По месту указанного ребра создается сгиб заданного радиуса.
Каждая грань исходного тела может использоваться в построении листового тела только один раз. Ребра между включенными в построение листового тела гранями, которые не являются ребрами сгиба, должны входить в набор ребер разъема. На месте ребер разъема выполняется замыкание угла.
На рисунке ниже на исходном теле слева выбрана базовая грань (зеленая), ребра сгиба (красные) и ребра разъема (синие); результат преобразования представлен справа.
Рис. 5. Преобразование произвольного тела в листовое
Операции над листовыми телами
Гибка — один из основных способов формообразования листового тела. Существует несколько способов согнуть грань. Каждый из них имеет свои особенности.
В C3D Modeler предусмотрены следующие способы сгиба:
- по линии;
- на ребрах;
- по эскизу.
Сгиб по линии. Линия сгиба может быть отрезком, который может лежать одновременно на нескольких плоских гранях, но сгибы будут формироваться только на выбранных гранях.
Рис. 6. Сгиб по линии
Сгиб на ребрах строится на одном или нескольких ребрах, принадлежащих плоской грани листового тела. К торцу пластины присоединяется сгиб с плоским продолжением. Сгиб может быть с расширениями или уклонами боковых сторон в зависимости от параметров операции. Для цепочек смежных ребер возможно построение замыкания углов.
Рис. 7. Сгиб с множественным выбором ребер и опцией «замыкание угла»
Комбинированный сгиб листового тела, он же сгиб по эскизу, может строиться на одном или нескольких прямолинейных ребрах одной или нескольких листовых граней. Эскиз, состоящий из отрезков и дуг, должен лежать в плоскости, перпендикулярной ребру построения, и одним концом располагаться на проекции ребра на эту плоскость. По эскизу и его копиям для всех ребер строятся листовые тела. Сгибы формируются на дугах и негладких стыках прямолинейных сегментов контура, а также между контуром и листовым телом. Построенные тела объединяются с исходным листовым телом, углы замыкаются согласно заданным параметрам.
Рис. 8. Листовое тело после выполнения операции «сгиб по эскизу»
Замыкание угла. Если на соседних ребрах листовой грани построены два сгиба, то между ними образуется угол, который можно затянуть материалом, расширив стороны этих сгибов, что и выполняет данная операция. В некоторых случаях вместо расширения выполняется подрезка. В параметрах можно выставить величину зазора и вид замыкания отдельно для сгибов и отдельно для их плоских продолжений. В случае замыкания угла между смежными ребрами одной грани можно выбрать несколько способов обработки:
- без подрезки;
- с плотным замыканием;
- с освобождением угла.
Рис. 9. Плотное замыкание с зазором и освобождением угла
Гибка не единственный способ придать форму листовому телу. Вырубка и штамповка — технологические операции, изменяющие геометрию плоской заготовки в широком диапазоне. Рассмотрим эти операции в разрезе трехмерного моделирования.
Подсечки листового тела. Подсечка выполняется в виде двух смещенных относительно друг друга сгибов по линии. Линией может служить отрезок, лежащий на плоских гранях, либо прямая.
Рис. 10. Подсечка листового тела
Вырез в листовом теле. Вырез выполняется замкнутым контуром. Метод примечателен тем, что имеет опцию выреза по толщине помимо обычного булевого выреза. В этом случае вырез как бы огибает все сгибы листового тела. То есть листовое тело перед вырезанием повторяет все встречающиеся на пути сгибы исходного тела.
Рис. 11. Вырез в листовом теле с опцией «по толщине»
Штампованное тело / штамповка произвольным телом
Штамповка строится по одному замкнутому или незамкнутому контуру, лежащему на плоской листовой грани. Эскиз определяет форму донышка штамповки. Штамповка, в зависимости от параметров, может быть открытой. Это означает, что листовая пластина пробивается по контуру насквозь.
Рис. 12. Открытая штамповка листового тела
В случае штамповки произвольным телом построение выполняется с помощью тела-инструмента, которое может рассматриваться как пуансон или матрица. Также могут быть указаны грани инструмента для построения вырубки. Можно управлять толщиной штампованной части, радиусом скругления примыкания штамповки к листовому телу, а также радиусом скругления негладких ребер тела-инструмента. Тело-инструмент не должно пересекать листовые грани сгиба. При развертке штамповка, выполненная с помощью произвольного тела, игнорируется.
Рис. 13. Штамповка произвольным телом
Буртик строится по одному или нескольким замкнутым или незамкнутым контурам, лежащим на плоской листовой грани. Если контур выходит за пределы этой грани, то буртик подрезается ее границами. Буртик по незамкнутому контуру в начале и в конце имеет законцовки, вид которых задается в параметрах операции:
- закрытая;
- открытая;
- рубленая.
Рис. 14. Буртик с круглой формой сечения по эскизу, выходящему за пределы листа
Жалюзи строятся на одном или нескольких отрезках, лежащих на плоской листовой грани. Жалюзи не могут выходить за пределы грани и пересекаться сами с собой. Жалюзи бывают двух видов: вытяжка и подрезка. Вытяжка имеет вид половины элемента, разрезанного вдоль прямолинейного буртика, а подрезка имеет вид отогнутой пластины.
Рис. 15. Жалюзи способом «вытяжка»
Ребро усиления. Ребро строится по контуру, который расположен в районе сгиба листового тела. Ребро усиления не препятствует разгибу сгиба, на котором оно было построено. При повторном сгибе ребро усиления будет восстановлено.
Рис. 16. Ребро усиления листового тела
Развертка или разгиб листового тела
Технология производства листовых деталей предполагает гибку из плоской заготовки. Для возврата к этому состоянию в процессе моделирования и существует метод развертки. Этот метод разгибает листовое тело относительно неподвижной грани. Если грань принадлежит одному из сгибов, то разгиб осуществляется так, чтобы неподвижной осталась плоскость, касательная к поверхности.
Как правило, в каждом сгибе есть только одна пара листовых граней – внутренняя и внешняя, но в случае линейчатой обечайки по двум эскизам может возникнуть ситуация, когда цепочка таких смежных сгибов может быть разогнута только одновременно.
Рис. 17. Листовое тело после операции «разогнуть»
Заключение
Совокупность рассмотренных нами приемов — от создания пластин и обечаек до сложных операций штамповки и развертки — наглядно демонстрирует, как C3D Modeler позволяет инженерам эффективно и точно производить листовое моделирование деталей из листового металла. Гибкость и широкий функционал геометрического ядра упрощают и ускоряют процесс проектирования, превращая сложные задачи в логичный и понятный рабочий процесс. И хотя в этой статье мы затронули лишь часть возможностей, доступных в C3D Modeler, настоящий потенциал ядра раскрывается при работе с еще более сложными задачами, что делает его надежным и перспективным инструментом для любого разработчика или инженера, работающего с САПР.
