Тонкостенные детали из композитных материалов, например лопатки авиационных двигателей, исключительно сложны в производстве. Традиционные методы моделирования на станках с ЧПУ часто не учитывают деформации заготовок под нагрузкой и износ режущего инструмента в процессе обработки. В результате реальная деталь может отличаться от чертежа на величину до двух миллиметров, а это требует дорогостоящих доработок.
Исследователи Южно-Уральского государственного университета (вуз входит в Союз машиностроителей России) предложили новый подход к компьютерному моделированию, который позволяет заранее скорректировать управляющую программу станка для достижения максимальной точности. Технология учитывает износ инструмента и деформации заготовки, позволяя корректировать управляющие программы без дорогостоящих натурных испытаний.
«Главная проблема современного автоматизированного проектирования в том, что CAD/CAM/CAE-системы работают с идеальными моделями, – объясняет доцент кафедры «Технологии машиностроения» ЮУрГУ Екатерина Щурова. – Они оперируют гладкими, безупречными поверхностями, не учитывая реальные условия обработки: шероховатость деталей, их упругие и тепловые деформации или неизбежный износ режущего инструмента. В результате прогноз точности обработки получается неверным. Такие расчеты не дают возможности инженерам на предприятиях обеспечить повышение качества продукции. Из-за этого многие важные разработки до сих пор ведутся методом проб и ошибок уже на стадии опытных работ. Это снижает общую эффективность производства. Кроме того, классическая аналитическая геометрия зачастую не может математически описать сложные, изношенные поверхности инструментов».
Учёные ЮУрГУ объединили в своей разработке два мощных численных метода: воксельное моделирование и физическое моделирование (МКЭ, SPH). Вот как работает их методика:
1. Сначала создаётся подробная 3D-модель детали и инструмента, но не сплошной поверхностью, а в виде множества маленьких «кубиков» – вокселей. Это позволяет описать особенности микрорельефа с высокой точностью.
2. Затем система моделирует износ инструмента прямо во время работы. На основе данных о траектории резания программа рассчитывает, как меняется геометрия режущей кромки в каждый момент времени, и закладывает эти изменения в дальнейший расчёт.
3. Финальный этап – микромоделирование самого процесса резания в ключевых точках. С помощью метода сглаженных частиц (SPH) вычисляются реальные силы, действующие на деталь. Эти данные служат основой для финального расчёта напряжений и деформаций в материале.
Учёные проверили свой подход на реальном примере: чистовой обработке лопатки компрессора авиационного двигателя CFM56-5A. Для этого они смоделировали работу трёхосевого станка с ЧПУ, используя концевую фрезу TaeguTec диаметром 10 мм. Расчёт вёлся в программе LS-DYNA и занял 40 часов на двухъядерном процессоре. Виртуальная модель была достаточно подробной: она включала до 80 тысяч SPH-частиц и 25 тысяч конечных элементов.
«Суть этих цифр в том, чтобы работники предприятий видели, потянут ли их компьютеры такие расчёты или нет, – комментирует разработчик. – 80 тысяч частиц – это не «очень» подробная модель, бывают и несколько сотен. 80 + 25 тысяч – это, с одной стороны, относительно достаточная подробность для подобных расчётов, с другой – приемлемая для персональных рабочих компьютеров».
Благодаря этому удалось с достаточной точностью рассчитать силы резания и определить распределение напряжений и деформаций в детали.
«Комбинированное моделирование позволяет увидеть полную картину обработки, которую мы просто не могли бы получить классическими методами, – поясняет Екатерина Щурова. – Однако у такого подхода есть своя цена. Вычислительные мощности сейчас – главное сдерживающее звено. Пока это ограничение мешает нам, поэтому мы моделируем процессы только в ключевых точках траектории инструмента».
Разработанная технология имеет огромное значение для авиа- и двигателестроения, где применение труднообрабатываемых полимерных и металлических композитов растет с каждым годом. Возможность виртуальной доводки управляющей программы станка позволяет на порядок сократить время и затраты на физическое прототипирование и экспериментальную отладку производства.
Методика может быть интегрирована в стандартные CAD/CAM-системы нового поколения, обеспечивая их работу с «цифровыми двойниками» технологического процесса.
Исследование выполнено при грантовой поддержке Российского научного фонда (проект №24-71-00071). В планах научной группы – дальнейшее совершенствование метода, адаптация его под различные типы композитов и промышленных станков с ЧПУ, а также снижение требований к вычислительным ресурсам для внедрения в производство на средних и малых предприятиях.
Конечная цель – создание полностью цифрового, виртуального производства, где каждая операция сначала будет безупречно отработана в компьютере и лишь затем запущена на реальном станке, гарантируя неизменное качество и точность готовых изделий.
Текст: Бацан Светлана Владимировна, отдел научных коммуникаций ЮУрГУ
Изображение: ИИ.