Науково-прикладні основи проектування функціонально-орієнтованих технологій машинобудування засобами паралельного інжинірингу

Abstract

У дисертації розроблені науково-прикладні засади забезпечення комплексних показників експлуатаційної якості деталей машин на основі впровадження методології функціонально-орієнтованого проектування технологій механічного оброблення машинобудівних виробів засобами паралельного інжинірингу. Створено методичне та алгоритмічне забезпечення автоматизованої підсистеми формоутворення виробів в складі інтегрованої системи конструкторсько-технологічної підготовки машинобудівного виробництва. Розроблено наукові основи імітаційного моделювання технологічних операцій і переходів та комплекс функціональних модулів та аналітично-прикладних програм формування точнісних, термічно-деформаційних, мікрогеометричних та структурно-фазових параметрів оброблюваних поверхонь. Поставлено та розв’язано задачу багатокритеріальної оптимізації функціонально-орієнтованого технологічного процесу на основі розрахунку інтегрального кваліметричного показника, який системно характеризує зносостійкість, втомну міцність, корозійну стійкість тощо найбільш навантажених поверхонь виробу і отримується як результат формування в процесі формоутворення мікротопології поверхневого шару, залишкових напружень та деформацій. Диссертационная работа посвящена решению актуальной научно-технической проблемы - разработке научно-прикладных основ обеспечения комплексных показателей эксплуатационного качества деталей машин путем внедрения методологии функционально-ориентированного проектирования технологий механической обработки машиностроительных изделий средствами параллельного инжиниринга. Обеспечение основных эксплуатационных свойств изделия (износостойкости, усталостной прочности, маслоемких и антикоррозионных свойств функциональных поверхностей и т.п.) в значительной мере обуславливается не только назначенными конструктором нормами точности и качества отдельных поверхностей изделия, но и такими важными факторами, как микротопология поверхностей, остаточные напряжения и деформации поверхностного слоя и тому подобное. Но формирование этих характеристик изделия зависит от структуры и параметров технологического процесса его изготовления и не может быть априорно пронормировано конструктором. Поэтому без реализации рекуррентных связей технологического этапа подготовки производства с предыдущими этапами конструкторского и инженерного анализа невозможно учесть влияние структуры и параметров операций и переходов на формирование квалиметрических показателей работы изделия в целом. Системный принцип реализации жизненного цикла продукции требует непосредственной связи технологического этапа с эксплуатационным этапом, а не только их опосредованной связи через обеспечение условий и ограничений, сформулированных на конструкторском этапе. Этим обеспечивается принцип параллельного инжиниринга в модернизированной PLM-системе (Product Life Management). Поэтому копирование общепринятого алгоритма технологического проектирования существенно ограничивает потенциал интегрированной автоматизированной конструкторско-технологической системы подготовки машиностроительного производства. Таким образом, для комплексного обеспечения жизненного цикла машиностроительной продукции (PLM-системы) является актуальным создание и внедрение научных и прикладных основ проектирования функционально-ориентированных технологий (ФОТ). Главной особенностью ФОТ является то, что первичным в формировании структуры и параметров технологических операций и переходов является обеспечение средствами параллельного инжиниринга комплекса функционально-эксплуатационных свойств изделия при соблюдении заданных конструктором параметров точности и качества поверхностей, ресурса работы, а также организационных и технико-экономических ограничений. Методология функционально-ориентированного проектирования основана на системе параллельного инжиниринга CAPE (Concurrent Art-to-Product Environment - система поддержки параллельного проектирования (Concurrent engineering)) с параметрическими связями между элементами моделей, узлов и программными модулями. Многослойность цифровой модели изделия и координационные функции CAPE-системы позволяют существенно сократить цикл создания изделия, повысить технический уровень проектов, избежать нестыковок и ошибок в результате взаимосвязи и контролируемости информации на всех стадиях технологического проектирования. Особенностью внедрения функционально-ориентированных технологий для эффективной реализации методологии PLM в машиностроении на основе принципа параллельного проектирования является использование CAF-системы (Computer Aided Forming). В основе этой системы положен анализ имитационной реологической модели отдельных технологических переходов и комплекс функциональных модулей и аналитических приложений формирования точностных, термодеформационных, микрогеометрических и структурно-фазовых параметров обрабатываемых поверхностей. CAF-система органично дополняет существующий интегрированный комплекс CAD/CAE/CAPP/CAM систем, обеспечивая прогностическую возможность имитационного моделирования и установления зависимости основных квалиметрических показателей изделия от структуры и параметров технологического процесса механической обработки детали. Базовая методология построения функционально-ориентированного технологического процесса предусматривает решение ряда проблем, связанных с адекватным имитационным моделированием напряженно-деформированного состояния деталей в процессе их формообразования. В соответствии с обобщенным алгоритмом функционирования CAF-системы, результаты анализа напряженно-деформированного состояния поверхностей в процессе их формообразования позволяют осуществить моделирование микротопологии поверхностей, остаточных напряжений и деформаций, а также - сформировать прогностические связи между структурой и параметрами технологического процесса обработки деталей и доминирующими эксплуатационными свойствами деталей (обеспечение износостойкости, усталостной прочности, коррозионной стойкости, триботехнических показателей качества подвижных соединений и т.п.). Таким образом, в результате теоретических и экспериментальных исследований решена важная научно-прикладная задача технологического проектирования операций механической обработки машиностроительных изделий на основе прогностических результатов анализа имитационного моделирования напряженно-деформированного и термодинамического состояния детали в процессе формообразования функциональных поверхностей этих изделий. При этом впервые разработаны научные основы проектирования функционально-ориентированных технологических процессов, что позволило создать концепцию системного обеспечения комплекса эксплуатационных показателей машиностроительных изделий. The scientific and applied principles which provide complex indexes of operational quality machine parts based implementation methodology functionally-oriented design of machining technology of concurrent products engineering in thesis developed. A methodical and algorithmic support of the automated subsystems forming products as part of an integrated system of design and technological machine production process engineering. The scientific basis of manufacturing operations simulation and complex transitions and functional modes and analytical applications accuracy formation, thermally and deformation, mikrogeometrical and structural phase parameters of machined surfaces. Set and solved the problem of multi-objective optimization function-oriented process by calculating integral qualimetric index, which systematically describes the wear resistance, fatigue strength, corrosion resistance most loaded surfaces of the product obtained as a result of the formation process of microstructure surface layer forming, residual stresses and strains.