Параметрическое компьютерное моделирование механической обработки хрупких материалов для интеграции в автоматизированную систему технологической подготовки производства : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук : 05.13.12

Принципиально важной особенностью современных отраслей маши- ностроения и приборостроения является применение методов компьютер- ного моделирования и инженерного анализа на всех этапах проектирова- ния, производства и эксплуатации технически сложных изделий. Внедре- ние цифровых технологий в производственные процессы и переход к циф- ровому производству способствует повышению эффективности и произво- дительности труда в промышленности, но требует развития информацион- ной базы проектирования и предпроизводственной подготовки вместе с необходимыми моделями, алгоритмами, методами и средствами для по- строения автоматизированной проектно-производственной среды.
Актуальность темы исследования
Существенного сокращения времени и материальных затрат на про- ектирование новых изделий и технологий их изготовления можно достичь за счет компьютерного моделирования и средств инженерного анализа в составе систем автоматизированного проектирования (САПР) и автомати- зации технологической подготовки производства (АСТПП). Одним из наи- более проблематичных и мало изученных направлений в создании средств инженерного анализа и их интеграции в общую архитектуру автоматизи- рованной проектно-производственной среды является компьютерное мо- делирование технологических процессов механической обработки новых труднообрабатываемых, в том числе, ‒ хрупких материалов, обладающих уникальными эксплуатационными характеристиками.
Компьютерное моделирование, основанное на методе конечных эле- ментов (МКЭ), традиционно используется в расчетном обосновании про- ектируемых конструкций с целью предотвращения поломок, связанных с разрушением конструкционных материалов. Отличительной особенностью механической обработки является целесообразное локальное разрушение материала, направленное на формирование поверхности заданного качест- ва. Совершенствование средств, применяемых в САПР изделий машино-
5
строения для предварительной оценки качества и возможных разрушений, а также интеграция этих средств в алгоритмы поиска технологических ре- шений механической обработки материалов с использованием АСТПП яв- ляется актуальным направлением создания инструментов проектного управления качеством в составе автоматизированной проектно-
производственной среды.
Компьютерные модели технологических процессов обработки хруп-
ких материалов, алгоритмы анализа ожидаемых результатов воздействия режущего инструмента на заготовку требуют развития в связи с актуаль- ными приложениями в наиболее прогрессивных областях современной ин- дустрии (электроника, оптика, энергетика) и структурным многообразием обрабатываемых материалов (монокристаллические, поликристаллические, аморфные, наноструктурированные, композиционные материалы). Разра- ботка соответствующих методов и средств для анализа технологических решений в САПР и АСТПП позволит оперативно моделировать многофак- торные процессы механической обработки материалов с особыми свойст- вами при назначении параметров режима резания.
Курс на импортозамещение в ключевых отраслях индустрии Россий- ской Федерации, закрепленный, в частности, Приказом Министерства свя- зи «Об утверждении плана по импортозамещению программного обеспе- чения» от 01.02.2015 No 96, становится также немаловажным фактором развития отечественных средств компьютерного моделирования и инже- нерного анализа в составе САПР и АСТПП.
Степень разработанности темы исследования
Развитию АСТПП машиностроения способствовали труды таких российских ученых, как Г. К. Горанский, С. Н. Корчак, Н. М. Капустин, С. П. Митрофанов, Б. Е. Челищев, И. П. Норенков, В. В. Павлов, А. Ф. Прохоров, Ю. М. Соломенцев, В. Д. Цветков и другие. Математиче- ские модели технологических процессов механической обработки подроб- но разработаны применительно к металлическим сплавам в рамках теории

6
пластического поведения материала, срезаемого твердым инструментом. Этой тематике посвящены труды таких российских ученых, как Г. И. Гра- новский, И. А. Тиме, К. А. Зворыкин, Я. Г. Усачев, Н. Н. Зорев, А. М. Ро- зенберг, М. И. Клушин, В. Н. Подураев, А. Д. Макаров, А. Н. Резников, и других. Вместе с тем, разработанные модели технологических процессов в полной мере не реализованы в виде готовых к использованию программ- ных продуктов в составе САПР и АСТПП, не решены многие задачи ком- пьютерного моделирования процессов резания применительно к хрупким
материалам.
Недостаточная разработанность важных аспектов моделирования
процессов резания хрупких материалов, в том числе ‒ с особым поверхно- стным слоем, отсутствие интегрированных программных решений CAE (Computer-Aided Engineering) ‒ CAM (Computer-Aided Manufactoring), а также теоретическая и практическая значимость решения актуальных за- дач обработки хрупких материалов в различных областях производства электронной компонентной базы, оптических и топливных элементов оп- ределили выбор темы диссертационного исследования, его цель и задачи.
Цель и задачи работы
Целью данной работы является совершенствование процессов техно- логической подготовки изготовления ответственных деталей машин и при- боров из хрупких материалов способами механической обработки с учетом предварительной оценки качества обработанной поверхности за счет инте- грации средств компьютерного инженерного анализа CAE в автоматизиро- ванную систему технологической подготовки производства CAM.
Достижение поставленной цели потребовало решения следующих
задач исследования:
1) разработать формализованную модель для расчетного обоснова- ния технологических параметров механической обработки хрупких мате- риалов с учетом предварительной оценки качества обработанной поверх- ности средствами инженерного анализа в программной среде CAE;

7
2) разработать алгоритм параметрического компьютерного модели-
рования эффектов силового воздействия режущего инструмента на хруп- кий материал для автоматизированного проектирования в интегрирован- ной программной среде CAE/CAM;
3) разработать программные модули, реализующие алгоритм пара- метрического компьютерного моделирования, для автоматизации техноло- гической подготовки процессов механической обработки хрупких мате- риалов в части расчетного обоснования параметров режима резания;
4) апробировать разработанные средства автоматизации процессов компьютерного моделирования в анализе и реализации технологий меха- нической обработки хрупких материалов с применением интегрированной программной среды CAE/CAM.
Объект и предмет исследования
Объект исследования − компьютерное моделирование и анализ тех- нологических решений в АСТПП деталей на станках с числовым про- граммным управлением (ЧПУ); предмет исследования – средства инже- нерного анализа качества обработанной поверхности на начальном этапе проектирования технологических процессов механической обработки хрупких материалов и метод интеграции CAE/CAM.
Область исследований соответствует паспорту научной специально- сти 05.13.12 − Системы автоматизации проектирования, пункту 1 − «Мето- дология автоматизированного проектирования в технике, включая поста- новку, формализацию и типизацию проектных процедур и процессов про- ектирования, вопросы выбора методов и средств для применения в САПР», пункту 3 − «Разработка научных основ построения средств САПР, разра- ботка и исследование моделей, алгоритмов и методов для синтеза и анали- за проектных решений, включая конструкторские и технологические ре- шения в САПР и АСТПП».

8
Научная новизна работы определяется впервые полученными ре-
зультатами исследований, которые применимы для анализа проектных (технологических) решений в АСТПП и заключаются в следующем.
1. С учетом научно-обоснованных критериев выявления протяжен- ности дефектной зоны в обрабатываемом хрупком материале разработан алгоритм компьютерного моделирования технологических процессов ме- ханической обработки хрупких материалов средствами конечно- элементных программ САЕ, отличающийся параметрическим представле- нием входных данных.
2. В соответствии с предложенным алгоритмом компьютерного мо- делирования процессов резания хрупких материалов разработаны про- граммные модули для препроцессорной подготовки и постпроцессорной обработки данных конечно-элементного анализа напряжений в зоне реза- ния, отличающиеся возможностью передавать данные в виде малоразмер- ных текстовых файлов между рабочим компьютером технолога с установ- ленной программой САМ и удаленной расчетной станцией с установлен- ной программой САЕ. Разработанные программные модули отличаются возможностью автоматизировать технологическую подготовку процессов механической обработки хрупких материалов на этапе расчетного обосно- вания параметров режима резания и применить методы оптимизации для поиска наилучших параметров режима резания.
3. С использованием разработанных средств компьютерного модели- рования сформирована и апробирована распределенная интегрированная программная среда CAE/CAM для автоматизированного проектирования технологических процессов механической обработки хрупких материалов, которая отличается применением облачных сервисов.
Теоретическая и практическая значимость
Теоретическая значимость работы заключается в разработке фор- мализованной модели и алгоритма оценки дефектной зоны в хрупком ма- териале при силовом воздействии режущего инструмента средствами ин-

9
женерного анализа CAE. Предложенный формализованный подход к пара- метрическому моделированию технологических процессов резания хруп- ких материалов позволяет интегрировать средства инженерного анализа в АСТПП и способствует развитию распределенных систем автоматизиро-
ванного проектирования и технологической подготовки производства. Практическая значимость результатов работы заключается в раз- работке программных модулей, реализующих эффективное использование средств компьютерного инженерного анализа с привлечением облачных вычислительных ресурсов, и их применении для решения прикладных за- дач механической обработки хрупких материалов. Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ (государственный контракт No 075-03-2020-582/4). Практическая значи- мость результатов работы подтверждается свидетельством о регистрации программы для ЭВМ; актами использования в проектно-поисковой работе компании ООО «ИНЖЕТЕХ» (г. Екатеринбург), специализирующейся на механической обработке неметаллических материалов; а также в учебном
процессе Уральского федерального университета.
Методология и методы исследования
В диссертационной работе использованы методы компьютерного инженерного анализа, метод спектральных элементов, метод конечных элементов, методы математического моделирования, методы программи- рования. Для проведения вычислительных экспериментов в работе исполь- зованы отечественные системы автоматизированного проектирования CAE ФИДЕСИС, CAM АДЕМ. Уникальность полученных программных реше- ний показана в сравнении с лучшим зарубежным аналогом CAE ANSYS. Для создания программного обеспечения использованы языки программи- рования APDL, APREPRO, С++, Python.
Положения, выносимые на защиту
1. Формализованная модель силового воздействия режущего инст- румента на поверхностный слой пластины из хрупкого материала для вы-

10
бора технологических параметров режима резания с использованием средств инженерного анализа в соответствии с предварительной расчетной
оценкой дефектной области в зоне резания.
2. Алгоритм параметрического компьютерного моделирования про-
цесса резания хрупких материалов в интегрированной программной среде CAE/CAM, обеспечивающий повышение эффективности и работоспособ- ности распределенной проектно-производственной системы с участием удаленного расчетного сервера.
3. Программные модули как средства автоматизации проектирова- ния, реализующие параметрическое компьютерное моделирование силово- го воздействия режущего инструмента на пластину из хрупкого материала при назначении параметров режима резания на станках с ЧПУ в АСТПП.
Достоверность и обоснованность научных результатов базирует- ся на тщательном анализе имеющихся литературных источников; обеспе- чивается использованием сертифицированных программ САПР и АСТПП; подтверждается соответствием полученных компьютерных прогнозов на- блюдаемым экспериментальным фактам и производственным испытаниям.
Личный вклад автора
Вошедшие в диссертацию результаты получены автором совместно с научным руководителем И. Н. Тихоновым. Диссертантом лично разрабо- таны программные модули; проведено компьютерное моделирование с ис- пользованием авторских программных модулей и коммерческих программ САПР; выполнены экспериментальные работы, включая подготовку управляющих программ и механическую обработку хрупких материалов на станке с ЧПУ; написаны статьи и тезисы.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы представлены на ме- ждународных и российских научных конференциях: International Confe- rence on Modern Trends in Manufacturing Technologies and Equipment – ICMTMTE (Севастополь, 2021), International Youth Scientific Conference

11
Physics. Technology. Innovations – PTI (Екатеринбург, 2021), «Информаци- онные технологии в науке и производстве» (Омск, 2021, 2018, 2016), International Conference on Industrial Engineering (Челябинск, 2018), «Ме- ханика, ресурс и диагностика материалов и конструкций – МРДМК» (Ека- теринбург, 2017, 2016, 2009), «Материаловедение. Машиностроение. Энер- гетика» (Екатеринбург, 2016), «Параллельные вычислительные техноло- гии – ПАВТ» (Екатеринбург, 2015; Челябинск, 2013), «Новые материалы и технологии – НМТ» (Москва, 2012, 2010), «Фундаментальные и приклад- ные исследования, разработка и применение высоких технологий в про- мышленности и экономике – Hi-Tech» (Санкт-Петербург, 2012), Advanced Computer and Information Technologies – ACIT (Екатеринбург, 2012), «Ме- ханика микронеоднородных материалов и разрушение – МММР» (Екате- ринбург, 2012), International Workshop on Advanced Spectroscopy and Optical Materials – IWASOM (Poland, 2011), Europhysical Conference on
Defects in Insulating Materials – EURODYM (Hungary, 2010).
Публикации
Основные результаты диссертационной работы представлены в 6 статьях, опубликованных в рецензируемых научных журналах, определен- ных ВАК РФ и Аттестационным советом УрФУ, из них 5 статей проиндек- сировано в международных базах Scopus и WoS; в 13 статьях в рецензи- руемых журналах, статьях и тезисах докладов в трудах и сборниках мате- риалов международных и российских конференций; имеется свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.