Параметрическое компьютерное моделирование механической обработки хрупких материалов для интеграции в автоматизированную систему технологической подготовки производства
Актуальность темы исследования. Существенного сокращения времени и материальных затрат на проектирование новых изделий и технологий их изготовления можно достичь за счет компьютерного моделирования и средств инженерного анализа в составе систем автоматизированного проектирования (САПР) и автоматизации технологической подготовки производства (АСТПП). Одним из наиболее проблематичных и мало изученных направлений в создании средств инженерного анализа и их интеграции в общую архитектуру автоматизированной проектно-производственной среды является компьютерное моделирование технологических процессов механической обработки новых труднообрабатываемых, в том числе, - хрупких материалов, обладающих уникальными эксплуатационными характеристиками.
Компьютерное моделирование, основанное на методе конечных элементов (МКЭ), традиционно используется в расчетном обосновании проектируемых конструкций с целью предотвращения поломок, связанных с разрушением конструкционных материалов. Отличительной особенностью механической обработки является целесообразное локальное разрушение материала, направленное на формирование поверхности заданного качества. Совершенствование средств, применяемых в САПР изделий машиностроения для предварительной оценки качества и возможных разрушений, а также интеграция этих средств в алгоритмы поиска технологических решений механической обработки материалов с использованием АСТПП является актуальным направлением создания инструментов проектного управления качеством в составе автоматизированной проектно-производственной среды.
Компьютерные модели технологических процессов обработки хрупких материалов, алгоритмы анализа ожидаемых результатов воздействия режущего инструмента на заготовку требуют развития в связи с актуальными приложениями в наиболее прогрессивных областях современной индустрии (электроника, оптика, энергетика) и структурным многообразием обрабатываемых материалов (монокристаллические, поликристаллические, аморфные, наноструктурированные, композиционные материалы). Разработка соответствующих методов и средств для анализа технологических решений в САПР и АСТПП позволит оперативно моделировать многофакторные процессы механической обработки материалов с особыми свойствами при назначении параметров режима резания.
Степень разработанности темы исследования. Развитию АСТПП машиностроения способствовали труды таких российских ученых, как Г. К. Горанский, Н. М. Капустин, С. П. Митрофанов, Б. Е. Челищев,
И. П. Норенков, С. Н. Корчак, В. В. Павлов, А. Ф. Прохоров, Ю. М. Соломенцев, В. Д. Цветков и другие. Математические модели технологических процессов механической обработки подробно разработаны применительно к металлическим сплавам в рамках теории пластического поведения мате-риала, срезаемого твердым инструментом. Этой тематике посвящены труды таких российских ученых, как Г. И. Грановский, И. А. Тиме, К. А. Зворыкин, Я. Г. Усачев, Н. Н. Зорев, А. М. Розенберг, 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 программных продуктов в составе САПР и АСТПП, не решены многие задачи компьютерного моделирования процессов резания применительно к хрупким материалам. Недостаточная разработанность важных аспектов моделирования процессов резания хрупких материалов, в том числе - с особым поверхностным слоем, отсутствие интегрированных программных решений CAE (Computer-Aided Engineering) - CAM (Computer-Aided Manufactoring), а также теоретическая и практическая значимость решения актуальных задач обработки хрупких материалов в различных областях производства электронной компонентной базы, оптических и топливных элементов определили выбор темы диссертационного исследования, его цель и задачи.
Цель и задачи работы. Целью данной работы является совершенствование процессов технологической подготовки изготовления ответственных деталей машин и приборов из хрупких материалов способами механической обработки с учетом предварительной оценки качества обработанной поверхности за счет интеграции средств компьютерного инженерного анализа CAE в автоматизированную систему технологической подготовки производства CAM. Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач исследования:
1) разработать формализованную модель для расчетного обоснования технологических параметров механической обработки хрупких материалов с учетом предварительной оценки качества обработанной поверхности средствами инженерного анализа в программной среде CAE;
2) разработать алгоритм параметрического компьютерного моделирования эффектов силового воздействия режущего инструмента на хрупкий материал для автоматизированного проектирования в интегрированной программной среде CAE/CAM;
3) разработать программные модули, реализующие алгоритм пара-метрического компьютерного моделирования, для автоматизации технологической 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 механической обработки хрупких материалов с применением интегрированной программной среды САЕ/САМ.
Объект и предмет исследования: объект исследования - компьютерное моделирование и анализ технологических решений в АСТПП деталей на станках с числовым программным управлением (ЧПУ), предмет исследования - средства инженерного анализа качества обработанной поверхности на начальном этапе проектирования технологических процессов механической обработки хрупких материалов и метод интеграции САЕ/САМ. Область исследований соответствует паспорту научной специальности 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования, пункту 1 - «Методология автоматизированного проектирования в технике, включая постановку, формализацию и типизацию проектных процедур и процессов проектирования, вопросы выбора методов и средств для применения в САПР», пункту 3 - «Разработка научных основ построения средств САПР, разработка и исследование моделей, алгоритмов и методов для синтеза и анализа проектных решений, включая конструкторские и технологические решения в САПР и АСТПП».
Научная новизна работы определяется впервые полученными результатами исследований, которые применимы для анализа проектных (технологических) решений в АСТПП и заключаются в следующем.
1. С учетом научно-обоснованных критериев выявления протяженности дефектной зоны в обрабатываемом хрупком материале разработан алгоритм компьютерного моделирования технологических процессов механической обработки хрупких материалов средствами конечно-элементных программ САЕ, отличающийся параметрическим представлением входных данных.
2. В соответствии с предложенным алгоритмом компьютерного моделирования процессов резания хрупких материалов разработаны программные модули для препроцессорной подготовки и постпроцессорной обработки данных конечно-элементного анализа напряжений в зоне резания, отличающиеся возможностью передавать данные в виде малоразмерных текстовых файлов между рабочим компьютером технолога с установленной программой САМ и удаленной расчетной станцией с установленной программой САЕ. Разработанные программные модули отличаются возможностью автоматизировать технологическую подготовку процессов механической обработки хрупких материалов на этапе расчетного обоснования параметров режима резания и применить методы оптимизации для поиска наилучших параметров режима резания.
3. С использованием разработанных средств компьютерного моделирования сформирована и апробирована распределенная интегрированная программная среда CAE/CAM для автоматизированного проектирования технологических процессов механической обработки хрупких материалов, которая отличается применением облачных сервисов.
Теоретическая значимость работы заключается в разработке формализованной модели и алгоритма оценки дефектной зоны в хрупком материале при силовом воздействии режущего инструмента средствами инженерного анализа CAE. Предложенный формализованный подход к пара-метрическому моделированию технологических процессов резания хрупких материалов позволяет интегрировать средства инженерного анализа в АСТПП и способствует развитию распределенных систем автоматизированного проектирования и технологической подготовки производства. Практическая значимость результатов работы заключается в разработке программных модулей, реализующих эффективное использование средств компьютерного инженерного анализа с привлечением облачных вычисли-тельных ресурсов, и их применении для решения прикладных задач механической обработки хрупких материалов. Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ (государственный контракт № 075-03-2020-582/4). Практическая значимость 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: методы компьютерного инженерного анализа, метод спектральных элементов, метод конечных эле-ментов, методы математического моделирования, методы программирования. Для проведения вычислительных экспериментов в работе использованы отечественные системы автоматизированного проектирования CAE ФИДЕСИС, CAM АДЕМ. Уникальность полученных программных решений показана в сравнении с лучшим зарубежным аналогом CAE ANSYS. Для создания программного обеспечения использованы языки программирования APDL, APREPRO, C++, Python.
Положения, выносимые на защиту:
1. Формализованная модель силового воздействия режущего инструмента на поверхностный слой пластины из хрупкого материала для выбора 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 процесса резания хрупких материалов в интегрированной программной среде CAE/CAM, обеспечивающий повышение эффективности и работоспособности распределенной проектно-производственной системы с участием удаленного расчетного сервера.
3. Программные модули как средства автоматизации проектирования, реализующие параметрическое компьютерное моделирование силового воздействия режущего инструмента на пластину из хрупкого материала при назначении параметров режима резания на станках с ЧПУ в АСТПП.
Достоверность и обоснованность научных результатов базируется на тщательном анализе имеющихся литературных источников; обеспечивается использованием сертифицированных программ САПР и АСТПП; подтверждается соответствием полученных компьютерных прогнозов наблюдаемым экспериментальным фактам и производственным испытаниям.
Личный вклад автора. Вошедшие в диссертацию результаты получены автором совместно с научным руководителем И. Н. Тихоновым. Диссертантом лично разработаны программные модули (получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ); проведено компьютерное моделирование с использованием авторских программных модулей и коммерческих программ САПР; выполнены экспериментальные работы, включая подготовку управляющих программ и механическую об-работку хрупких материалов на станке с ЧПУ; написаны статьи и тезисы.
Апробация работы. Результаты исследований представлены на международных и российских научных конференциях: International Conference on Modern Trends in Manufacturing Technologies and Equipment - ICMTMTE (Севастополь, 2021), «Информационные технологии в науке и производстве» (Омск, 2021, 2018, 2016), International Conference on Industrial Engineering (Челябинск, 2018), «Механика, ресурс и диагностика материалов и конструкций - МРДМК» (Екатеринбург, 2017, 2016, 2009), «Материаловедение. Машиностроение. Энергетика» (Екатеринбург, 2016), «Параллельные вычислительные технологии - ПАВТ» (Екатеринбург, 2015; Челябинск, 2013), «Новые материалы и технологии - НМТ» (Москва, 2012, 2010), «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности и экономике - Hi¬Tech» (Санкт-Петербург, 2012), Advanced Computer and Information Technologies - ACIT (Екатеринбург, 2012), «Механика микронеоднородных материалов и разрушение - МММР» (Екатеринбург, 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, определенных ВАК РФ и Аттестационным советом УрФУ, из них 5 статей проиндексировано в международных базах Scopus и WoS; имеется свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Общий объем работы составляет 150 страниц, в том числе 49 рисунков, 6 приложений. Список цитированной литературы содержит 116 источников.
В результате проведенного исследования решена актуальная научная задача, направленная на совершенствование процессов технологической подготовки изготовления деталей из хрупких материалов, модель поведения которых при механической обработке режущим инструментом отличается от рассматриваемых классической теорией резания металлических сплавов. Эффективность функционирования АСТПП достигнута за счет предиктивной оценки качества обработанной поверхности и интеграции средств компьютерного инженерного анализа хрупких материалов в автоматизированное проектирование технологических процессов механической обработки с применением современных облачных методов. Основные выводы и результаты диссертационной работы заключаются в следующем.
1. Для компьютерного анализа проектных решений АСТПП обоснована теоретическая модель силового воздействия режущего инструмента на пластину из хрупкого материала, которая отличается формализованным параметрическим представлением геометрии режущей части инструмента. Предложенная формализованная модель адаптирует параметрическое описание токарного резца к процессам формообразования риски на поверхности пластины из хрупкого материала в рамках приближения квазистатического силового нагружения и предиктивно показывает границы первичного разрушения хрупкого материала, а также области подповерхностных трещин в зависимости от напряженного состояния в зоне резания.
2. В соответствии с обоснованной формализованной моделью разработан алгоритм поиска параметров механической обработки хрупких материалов с применением средств компьютерного инженерного анализа в интегрированной программной среде CAE/CAM.
3. Согласно разработанному алгоритму для количественной оценки напряжений в зоне резания методом конечных элементов с использованием решателя программы CAE ANSYS разработан препроцессорный программный модуль на алгоритмическом языке APDL, который отличается параметрическим представлением входных данных и автоматической записью расчетных результатов в текстовый файл, а также возможностью учесть влияние на образование дефектной области в обрабатываемом хрупком материале поверхностного слоя, обладающего иными физико-механическими свойствами. На разработанный программный модуль Brit- maCUT получено свидетельство о государственной регистрации.
4. Для расчетного обоснования параметров технологического процесса механической обработки по результатам предиктивного компьютерного анализа напряженного состояния обрабатываемого хрупкого материала методом спектральных элементов с использованием решателя программы CAE ФИДЕСИС разработан препроцессорный программный модуль на алгоритмическом языке APREPRO как средство информационной интеграции российских программ CAM АДЕМ и CAE ФИДЕСИС в парадигме распределенной автоматизированной проектно-производственной среды.
5. Для реализации разработанной модели и алгоритма в облаке разработан постпроцессорный программный модуль на языке C++, который запускается автономно на пользовательском компьютере и позволяет автоматизировать постпроцессорную обработку расчетных данных CAE по компонентам тензора напряжений для поиска и визуализации зоны подповерхностных разрушений в обработанном хрупком материале при силовом воздействии режущего инструмента. Разработанный постпроцессорный программный модуль читает и анализирует массивы данных в узлах рас-четной сетки из текстовых файлов.
6. Разработан метод интеграции в облаке программ САПР и АСТПП от разных разработчиков, а также удаленных вычислительных ресурсов для анализа технологических решений, который включает использование разработанных программных модулей и учитывает ресурсную специфику программ САЕ. Разработанный метод предполагает обеспечение требований по скорости вычислений и объему оперативной памяти за счет ресурсов облачных сервисов, а также автоматизацию препроцессор- ной и постпроцессорной обработки данных, которая выполняется с использованием разработанных программных модулей. Экономическая эффективность разработанного метода заключается в том, что из оплаченного времени пользования облачными сервисами исключаются этапы подготовки модели и анализа расчетных данных в интерактивном режиме, при этом передача информации между пользовательским компьютером и расчетной станцией осуществляется в виде текстовых файлов.
7. Разработанные средства автоматизированного проектирования применены в технологической подготовке механической обработки хрупких материалов и апробированы при решении практических задач по выбору оптимальных параметров скрайбирования приборной пластины из монокристаллического кремния и гравирования стекла. Эмпирически показано соответствие прогнозируемой дефектной зоны и наблюдаемой полосы разрушений вдоль риски, нанесенной на поверхность кремниевой пластины алмазным инструментом. На основании проведенных вычисли-тельных экспериментов выявлены условия формирования качественных поверхностей при скрайбировании монокристаллической кремниевой пластины гранью алмазного инструмента.
Перспективы дальнейшей разработки темы. Параметрическое моделирование технологического процесса, предложенное в диссертационной работе, определяет дальнейшее развитие темы в направлении оптимизации технологических параметров и автоматизации обработки расчетных данных в итерациях приближения к оптимальным значениям. Важным условием обеспечения достоверности результатов компьютерного моделирования процессов резания являются входные эмпирические данные о предельных характеристиках разрушения хрупких материалов, которые можно получить с применением метода склерометрии, но это потребует создания и обоснования специальной методики.
1. Ogorodnikov A. I. Predictive Modeling of Scribing Brittle Material Using Diamond Tool with Improved Geometry / A. I. Ogorodnikov, Yu. N. Zhukov // Lecture Notes in Mechanical Engineering. - 2019. - V. 2195. - P. 1867-1874; 0.4 п.л./ 0.2 п.л. (SCOPUS).
2. Ogorodnikov A. I. Computer-aided analysis of cutting processes for brittle mate¬rials / A. I. Ogorodnikov, I. N. Tikhonov // AIP Conference Proceedings. - 2017. - V. 1915. - AN 030014; 0.38 п.л./ 0.19 п.л. (SCOPUS, WoS).
3. Ogorodnikov A. I. Finite-element simulation of scratching a coated brittle plate /
A. I. Ogorodnikov // AIP Conference Proceedings. - 2016. - V. 1785. - AN 030020; 0.23 п.л. (SCOPUS, WoS).
4. Zhukov Yu. N. Cutter for Splitting Brittle Sheet Blanks / Yu. N. Zhukov, E. E. Tikhonov, K. M. Savinykh, A. I. Ogorodnikov // Russian Engineering Research. - 2015. - V. 35, No. 6. - P. 413-416; 0.33 п.л./ 0.08 п.л. (SCOPUS).
Жуков Ю. Н. Лезвийный инструмент для разделительных операций хрупких листовых заготовок / Ю.Н. Жуков, Э.Е. Тихонов, К.М. Савиных, А. И. Огородников // Вестник машиностроения. - 2015. - № 3. - С. 25-29; 0.33 п.л./ 0.08 п.л.
5. Власов В. Н. Компьютерная оценка ожидаемого качества в системе управления технологическими процессами механической обработки /
B. Н. Власов, О. М. Огородникова, А. И. Огородников // Проблемы
машиностроения и автоматизации. - 2015. - №1. - С. 146-150 0.33 п.л./ 0.11 п.л.
6. Ogorodnikov A. I. Simulation of defect zones in scribed silicon wafers / A. I. Ogorodnikov, O. M. Ogorodnikova, I. N. Tikhonov // Materials Science and Engineering: IOP Conf. Series. - 2010. - V. 15. - AN 012046; 0.33 п.л./ 0.11 п.л. (WoS).
Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ:
7. Огородников А. И. Моделирование силового воздействия режущего инструмента на хрупкие материалы с покрытием "BritmaCUT"/ Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013616642. - Дата государственной регистрации в Реестре программ для ЭВМ 15 июля 2013 г.
Другие публикации:
8. Огородников А. И. Интеграция программ CAE и CAM в составе распределенного производства / А. И. Огородников // Физика. Технологии. Инновации : тезисы докладов VIII Международной молодежной научной конференции, 17-21 мая 2021 г. - Екатеринбург : изд-во УрФУ, 2021. - С. 947-948; 0.08 п.л.
9. Огородников А. И. Моделирование силового воздействия режущего инструмента на хрупкий материал с выделенным поверхностным слоем / А. И. Огородников // Информационные технологии в науке и производстве : материалы VIII Всероссийской молодежной научно-технической конференции; 20-21 апреля 2021 г. - Омск: изд-во ОмГТУ, 2021. - С. 67-74; 0.38 п.л.
10. Жуков Ю. Н. Формирование дефектного слоя при лезвийной обработке хрупких материалов / Ю. Н. Жуков, И. Н. Тихонов, А. И. Огородников // Известия вузов. Машиностроение. - 2019. - № 5. С. 10-16; 0.48 п.л./ 0.16 п.л.
11. Огородников А. И. Скрайбирование изотропной хрупкой пластины / А. И. Огородников // Информационные технологии в науке и производстве : материалы V молодежной научно-технической конференции, 22-26 апреля 2018 г. - Омск: изд-во ОмГТУ, 2018. - С. 119-124; 0.22 п.л.
12. Огородников А. И. Компьютерный анализ процесса лезвийной обработки хрупких материалов / А. И. Огородников, И. Н. Тихонов // Механика, ресурс и диагностика материалов и конструкций : сборник материалов XI международной конференции, 11-15 декабря 2017 г. - Екатеринбург, 2017. - С. 88; 0.08 п.л./ 0.04 п.л.
13. Огородников А. И. Компьютерное исследование процессов резания пластины с выделенным поверхностным слоем / А. И. Огородников // Информационные технологии в науке и производстве: материалы III Всероссийской молодежной научно-технической конференции, 8-9 февраля 2016 г. - Омск: изд-во ОмГТУ, 2016. - С. 187-192; 0.36 п.л.
14. Огородников А. И. Конечно-элементный анализ скрайбирования хрупкой пластины с функциональным покрытием / А. И. Огородников // Материаловедение. Машиностроение. Энергетика: сборник научных трудов международной научной конференции, 6-11 июля 2015 г. - Екатеринбург : УрФУ, 2015. - С. 438-443; 0.4 п.л.
15. Огородников А. И. Включение суперкомпьютера в АСУТП / А. И. Огородников, С. И. Рябухин // Параллельные вычислительные технологии : труды международной научной конференции ПАВТ’2015, 1-5 апреля, 2015 г. - Екатеринбург : изд-во УрФУ, 2015. - С. 214; 0.08 п.л./ 0.04 п.л.
16. Огородников А. И. Разработка программного модуля в среде ANSYS APDL для численного исследования новых технологий и материалов приборостроения / А. И. Огородников // Научное обозрение. - 2013. - №1. -
С.119-123; 0.29 п.л.
17. Огородников А. И. Реализация вычислительного эксперимента в грид- системе с удаленным доступом / А. И. Огородников, С. И. Рябухин // Параллельные вычислительные технологии: труды международной научной конференции ПАВТ’2013, 1-5 апреля 2013. - Челябинск: изд-во Южноуральского государственного университета, 2013. - С.613; 0.08 п.л./ 0.04 п.л.
18. Ogorodnikov A. I. Computer simulation of machining processes in high- precision electronics engineering / A. I. Ogorodnikov // Инженерная мысль машиностроения будущего : сборник материалов Всероссийской молодежной научно-практической конференции с международным участием, 14-16 ноября 2013 г. - Екатеринбург : УрФУ, 2013. - С. 83-86; 0.24 п.л.
19. Огородников А. И. GRID-офис как эффективный метод производительных инженерных вычислений / А. И. Огородников, С. И. Рябухин // Новые материалы и технологии : материалы Всероссийской научно-технической конференции НМТ-2012, 20-22 ноября 2012 г. - Москва : МАТИ, 2012. - С. 373¬374; 0.06 п.л./ 0.03 п.л.
20. Ogorodnikov A. I. Scratching and tension on the surface of brittle materials /
A. I. Ogorodnikov // Высокие технологии, экономика, промышленность : сборник статей XIII международной научно-практической конференции
«Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности и экономике» HiTechXIII, 24-26 мая 2012 г. - Санкт-Петербург : Изд-во Политехн. ун-та, 2012. - С. 11-14; 0.22 п.л.
21. Огородников А. И. Конечно-элементное моделирование процессов механической обработки кремния / А. И. Огородников, И. Н. Тихонов // Механика микронеоднородных материалов и разрушение : тезисы докладов VII Российской конференции, 23-27 апреля 2012. - Екатеринбург, 2012. - С. 6; 0.1 п.л./ 0.05 п.л.
22. Ogorodnikov A. I. Finite element modeling of stresses and defects in brittle ma¬terials under force loading / A. I. Ogorodnikov, I. N. Tikhonov, O. M. Ogorodnikova // The Third International Workshop on Advanced Spectroscopy and Optical Materials : Book of Abstracts, 17-22 июля, 2011 г. - Гданьск, 2011. - P. 151; 0.06 п.л./ 0.02 п.л.