Проблемы, не решённые во многих CAD-системах при разработке 3D моделей и чертежей на литые детали и отливки

Детали, изготавливаемые литьём с последующей механической обработкой, составляют значительную долю вновь изготавливаемых изделий во многих отраслях промышленности. Хочу поделиться своим взглядом на то, что хотелось бы видеть в CAD-системах конструктору, разрабатывающему такие детали, и конструктору-литейщику, разрабатывающему отливки для получения таких деталей. Подчеркну, что говорю только про функционал CAD-систем. Речь идёт исключительно про 3D моделирование и оформление чертежей по 3D моделям.

По сути дела, чертёж отливки — это приемо-сдаточный документ, по которому принимают продукцию литейных цехов, литейных заводов. Все споры по браку между литейщиками и механообработчиками решаются по чертежу отливки. Поэтому чертежи отливок до сих пор разрабатываются несмотря на наличие 3D моделей отливок.

Опираясь на конструкторский опыт с 1993 года, опыт использования CAD с 1995 года, а главное — поддержку профессионального сообщества, автор статьи считает необходимым донести несколько тезисов до разработчиков CAD-систем.

1. Отображение внутренних контуров обрабатываемых поверхностей на чертежах отливок по ГОСТ 3.1125-88 «ЕСТД. Правила графического выполнения элементов литейных форм и отливок»

Одна из проблем оформления чертежей отливок состоит в том, что на них тонкими линиями должны быть показаны грани, которые получатся после механической обработки отливки. Обычно в ТТ чертежей отливок упоминаются три типа поверхностей — необрабатываемые, обрабатываемые и обработанные. В ГОСТе обработанные поверхности называются «внутренние контуры обрабатываемых поверхностей», и выглядит это так:

     3.3. При вычерчивании отливки следует учитывать все припуски с указанием их величины (черт.27).

     3.4. Внутренний контур обрабатываемых поверхностей, а также отверстий, впадин и выточек, не выполняемых в литье, изображают сплошной тонкой линией (черт.27).

Красным цветом выделены грани после механической обработки (обработанные). Именно эти грани должны отображаться на чертеже отливки сплошной тонкой линией. Значит, самый простой путь решить задачу — это добавить возможность на виде или разрезе чертежа отобразить сразу две конфигурации 3D модели — «Отливка» и «Деталь». Такой способ частично реализован в SolidWorks, но там две конфигурации можно отобразить только на видах, на разрезах нельзя. Это можно реализовать, например, так. На виде или разрезе показана конфигурация «Отливка». К этой конфигурации добавляется конфигурация «Деталь» тонкими сплошными линиями. А ещё лучше, чтобы линии конфигурации «Деталь», которые совпадают с линиями конфигурации «Отливка», не показывались бы вообще.

2. Отображение плавных переходов условно согласно п. 9.5 ГОСТ 2.305-2008

В п. 9.5 ГОСТ 2.305-2008 «ЕСКД. Изображения – виды, разрезы, сечения» говорится:

     9.5 Плавный переход от одной поверхности к другой показывают условно (см. рисунки 48-50) или совсем не показывают (см. рисунки 51-53).

Чтобы до конца разобраться в этом вопросе, начнём с терминов и определений. Что-то взято из ЕСКД, что-то додумано автором статьи.

1. Линии перехода видимые – линии на пересечении двух граней, не касательных друг к другу. Изображаются сплошной толстой основной линией. ГОСТ 2.303-68 – «ЕСКД. Линии», табл. 1, п. 1.
2. Линии перехода воображаемые – линии на концах плавных переходов и других граней, касательные к сопрягаемым граням/поверхностям. Изображаются сплошной тонкой линией с недоходом. ГОСТ 2.303-68 – «ЕСКД. Линии», табл. 1, п. 2, черт. 1.
3. Плавный переход – грань, касательная к двум смежным граням и заменяющая видимый переход на стыке двух некасательных друг к другу граней. Чаще всего в нормальном сечении представляет собой дугу окружности.
4. Плавный переход, показанный условно – воображаемая линия на чертеже (на 3D модели не существует) на месте видимой линии перехода, которая была до появления плавного перехода, упрощает изображение на чертеже плавного перехода. Изображают сплошной тонкой линией с недоходом. ГОСТ 2.305-2008 «ЕСКД. Изображения – виды, разрезы, сечения» п. 9.5, рис. 48, 49, 50.

Теперь всё это для более полного понимания покажем на рисунке.

В чертёжном модуле CAD-системы режим условного отображения плавных переходов должен быть обязательно. Пока автору статьи известно только то, что такой режим реализован в NX и в CATIA, хотя поддержка ЕСКД для этих систем совсем не главное.

Более того, режим условного отображения плавных переходов должен быть главным, ибо это чертёж, а не рисунок из учебника по начертательной геометрии. По большому счёту, другие режимы, где отображаются или не отображаются воображаемые линии перехода, можно в программе не делать вообще. Забыть про эти воображаемые линии перехода. Вместо них должны отображаться на чертеже линии условно отображённых плавных переходов.

Если плавные переходы не показывать, то у большинства чертежей литых деталей и особенно отливок не будет видно ничего, кроме внешнего контура, так как там везде уклоны и скругления.

Ещё момент. На чертежах литых деталей и особенно отливок чаще всего размеры можно проставить только от этих самых линий условно отображённых плавных переходов. Не всегда можно проставить такие размеры на разрезах.

Пример видов на чертеже отливки, изометрия которой приведена выше.

На рисунке прекрасно видно, что единственными приемлемыми и понятными являются виды, где плавные переходы показаны условно. Там и размеры легко проставить от линий условно показанных плавных переходов. Более того, если на чертеже не показывать плавные переходы условно, то у большинства размеров, импортированных в чертёж из 3D модели, концы размерных линий будут «висеть в воздухе», так как рёбра, от которых были проставлены эти размеры в 3D модели, исчезли после операций скругления.

Реализовать режим отображения плавных переходов условно можно, например, так. После операции «скругление» в модели где-то должны сохраняться линии (видимые линии перехода), по которым выполнялась операция «скругление». В чертеже на ассоциативных видах/разрезах нужно сделать новый режим показа линий перехода. Назвать его можно, ну скажем, «плавные переходы условно» или «скругления условно». При этом режиме воображаемые линии переходов скрываются, а сохранённые в 3D модели линии, по которым были построены скругления, делаются видимыми. Тип линии — сплошная тонкая, с возможностью настройки типа линии. Ну конечно, нужно как-то сделать правильную видимость этих линий в зависимости от положения вида/разреза. Например, для усечённого конуса это может выглядеть так:

3. Скругления

Пожалуй, самый главный функционал у литейщиков. Здесь всё просто. Программа должна построить плавный переход вдоль рёбер или видимых линий перехода в терминологии ЕСКД. Чаще всего конструктору даже не важно значение этого скругления по всему пути, лишь бы оно было построено. Для достижения цели можно даже ввести в команде «скругление» опцию «с уменьшением». То есть, если программа на каких-то рёбрах заданного пути не может построить скругление с заданным значением, она должна его уменьшать до момента, когда скругление она построить сможет. Дальше снова увеличить до заданного значения. Например, нужно построить R8. Команда построить не смогла. Нажимаем опцию «с уменьшением» и задаём минимальное значение скругления, например R4, и смотрим. Скругление построено.

4. Уклоны

При конструировании литых деталей и отливок, как правило, применяют следующие типы уклонов.

1. Жёлтый. «Токарный» уклон. Представляет собой обычный конус. Недостаток в том, что заданное значение уклона есть только на центральной линии. Чем ближе к бокам, тем уклон меньше. Делается командой «Повернуть». Такой уклон иногда применяется из-за простоты изготовления.
2. Синий. «Фрезерный» уклон. Недостаток в том, что получается много ненужного «мяса» на боках. Делается от плоскости.
3. Красный. Автор статьи эту опцию назвал бы просто «От линии» или «От ребра». В данном случае указывается ребро на пересечении цилиндрической грани и торца и направление — какая-то вертикальная линия. В результате команды линия ребра остаётся неизменной, а плоская грань торца становится сложной гранью, у которой в любом вертикальном сечении будет линия под заданным углом уклона.

В некоторых CAD-системах не представлен третий (красный) тип уклона. И это становится проблемой.

5. Проверка размерной цепочки у деталей, изготавливаемых литьём с последующей механической обработкой

Главная проблема таких чертежей состоит в том, что в настоящее время редко кто соблюдает п. 4.15 ГОСТ 2.307-2011 «ЕСКД. Нанесение размеров и предельных отклонений».

     4.15 При выполнении рабочих чертежей деталей, изготовляемых отливкой, штамповкой, ковкой или прокаткой с последующей механической обработкой части поверхности детали, указывают не более одного размера по каждому координатному направлению, связывающего механически обрабатываемые поверхности с поверхностями, не подвергаемыми механической обработке

То есть суть вопроса состоит в том, чтобы по каждому координатному направлению детали стоял только ОДИН размер между гранью, получаемой литьём (литейной, или черновой, базой — указывается на чертеже отливки, п. 4.7 ГОСТ Р 53464-2009), и гранью, получаемой механической обработкой (базой механической обработки — гранью, получаемой при первой операции мехобработки).

     4.7 На чертеже отливки (или чертеже детали с нанесенными размерами отливки) следует указывать измерительные базы (базы разметки) и базы первоначальной обработки поверхностей.

Все остальные размеры по этому направлению должны быть указаны либо между необрабатываемыми гранями, либо между обработанными гранями. При этом литейная (черновая) база не может быть обрабатываемой гранью, только необрабатываемой. В общем случае литейных (черновых) баз должно быть три — по одной для каждой из осей пространственной системы координат.

Если не соблюдать это требование, то получится цепочка размеров, которую невозможно выполнить при механической обработке отливки. То есть получается, что конструктор, разрабатывающий деталь, получаемую литьём с последующей механической обработкой, и определяет цепочкой размеров порядок операций механической обработки. Поэтому очень важно, чтобы эта цепочка размеров была правильной. Этот вопрос очень хорошо освещён в книге Орлов П. И. Основы конструирования, Машиностроение, в 2-х кн., 1988 г.

Как можно сделать автоматическую проверку этого требования ЕСКД? Сделать это можно в 3D, выделив четыре типа граней 3D модели.

1. Грань, полученная удалением слоя материала (механической обработкой). Знак шероховатости черт. 2а (галочка) или 2б (галочка с полочкой) ГОСТ 2.309-73 с указанием значения параметра шероховатости, например Ra=3,2. Границы грани изображаются сплошной толстой линией; если граница грани плавный переход, то сплошной тонкой линией.
2. Грань, не требующая удаления слоя материала (полученная литьём или штамповкой). Знак шероховатости черт. 2а (галочка) или 2в (галочка с кружочком) ГОСТ 2.309-73 с указанием значения параметра шероховатости, например Ra=50. Границы грани изображаются сплошной толстой линией; если граница грани плавный переход, то сплошной тонкой линией.
3. Грань, образованная материалом определённого профиля и размера (прокатом), не подлежащая дополнительной обработке. Знак шероховатости черт. 2в (галочка с кружочком) ГОСТ 2.309-73 без указания значения параметра шероховатости. Границы грани изображаются сплошной толстой линией; если граница грани плавный переход, то сплошной тонкой линией.
4. Грань изделия-заготовки, из которой дополнительной обработкой или переделкой изготовляют деталь. Шероховатость не указывается. Границы грани изображаются сплошной тонкой линией.

Черт.2

Для деталей, изготавливаемых литьём с последующей механической обработкой, достаточно двух первых типов граней, назовём их обработанные и необрабатываемые. Для каждого типа грани можно сделать свою текстуру.

В 3D модели будет понятно, для какого типа граней поставлен размер, и станет возможным сделать проверку приведенного выше требования ЕСКД. При этом следует учесть то, что необрабатываемые грани, как правило, имеют литейный уклон и размеры для таких граней обычно проставлены не от самих граней, а либо от рёбер на концах этих граней, либо от рёбер, которые были до операций скругления, то есть «висят в воздухе», про это говорилось выше. Размером от обработанной грани нужно считать размер либо от самой обработанной грани, либо от ребра, которое находится на пересечении двух обработанных граней или на пересечении обработанной и необработанной граней. Поэтому должно проверяться условие, чтобы было не больше одного размера в одном направлении между обработанной гранью и чем-то ещё, кроме обработанной грани.

Кроме того, это позволит правильно оформить чертёж детали с дополнительной обработкой или переделкой п. 1.3 ГОСТ 2.109-73. Это очень важно для конструкторов пресс-форм и штампов, которые их проектируют с использованием стандартных покупных заготовок.

Это позволит задать неуказанные предельные отклонения размеров между гранями, получаемыми литьём, а не только мехобработкой. Выглядеть это будет так:

• неуказанные предельные отклонения размеров между гранями, получаемыми мехобработкой, будут указаны по ГОСТ 30893.1-2002, например «Общие допуски по ГОСТ 30893.1 − m»;
• неуказанные предельные отклонения размеров между гранями, получаемыми литьём, будут указаны по ГОСТ Р 53464-2009, например «Точность отливки 9-0-9-6 ГОСТ Р 53464-2009. Поле допуска симметричное».

Заключение

Обозначенные проблемы актуальны для чертежей и 3D моделей не только литых деталей и отливок, но и деталей, изготавливаемых другими способами, в частности деталей, получаемых горячей объёмной штамповкой с последующей механической обработкой, и поковок. От имени инженеров-конструкторов автор статьи обращается к разработчикам CAD-систем с просьбой найти решение этим интересным задачам.

Автор статьи выражает благодарность следующим специалистам за ценные замечания, высказанные при подготовке этой статьи:

Нурмагомеду Джафарову, заместителю директора компании «Литмашдеталь» г. Москва,
Валентине Кондратенко, главному металлургу Каширского литейного завода «Центролит»,
Денису Сухорукову, к.т.н., доценту Владимирского государственного университета,
Сергею Петрову, главному конструктору Владимирского электромоторного завода.

Контакты

телефон: +7 904 253-51-10
e-mail: ks0@yandex.ru