劉麗娟 武文革

（中北大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院，山西太原 030051）

1 問題的提出

難加工材料是指難以進(jìn)行切削加工的材料，即切削加工性差的材料，它們具有高硬度和高強(qiáng)度、高塑性和高韌性、低塑性和高脆性、低導(dǎo)熱性、化學(xué)性質(zhì)活潑、有微觀的硬質(zhì)點(diǎn)或硬夾雜物等特性。常用的難加工材料有很多，如鈦合金、高溫合金、不銹鋼、復(fù)合材料、高強(qiáng)度鋼與越高強(qiáng)度鋼、硬脆性材料等，這些難加工材料廣泛應(yīng)用于航空、航天、海洋開發(fā)、核電及化學(xué)工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域中。難加工材料使用傳統(tǒng)方法進(jìn)行切削會導(dǎo)致切削過程中的切削力加大，切削溫度升高，刀具耐用度下降，有時(shí)還將使已加工表面質(zhì)量惡化，切屑難以控制，加工效率和加工質(zhì)量降低。而采用高速切削加工，切削速度大大提高，可有效減少刀具磨損，提高加工質(zhì)量。

以高切削速度、高進(jìn)給速度、大進(jìn)給量、小切削深度和小切削厚度為基本特征的高速切削技術(shù)是21世紀(jì)重要的先進(jìn)制造技術(shù)之一，是實(shí)現(xiàn)高速、高效和高精度加工的關(guān)鍵因素之一，被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、模具、能源、軌道交通等眾多領(lǐng)域。我國高速、高效切削加工工藝及裝備發(fā)展和應(yīng)用起步較晚，與國外差距較大，從整個(gè)機(jī)械制造業(yè)來看，目前仍然是較低速的普通切削加工為主，加工效率普遍較低。

切削加工數(shù)據(jù)是衡量切削技術(shù)水平高低的一個(gè)基本量值。目前在高速切削領(lǐng)域中，尤其是難加工材料切削加工數(shù)據(jù)的來源主要是參考高速切削刀具廠家在刀具樣本上推薦的切削數(shù)據(jù)，以及在實(shí)際生產(chǎn)中的切削試驗(yàn)或?qū)嵺`資料來確定。由于國內(nèi)許多刀具廠家的刀具樣本沒有系統(tǒng)提供有關(guān)難加工材料的切削數(shù)據(jù)，國外刀具廠家刀具樣本提供的一些數(shù)據(jù)也不完善，而且各廠家對相同的刀具材料提供的數(shù)據(jù)也不相同，難于選用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們將計(jì)算機(jī)技術(shù)與制造技術(shù)相結(jié)合開發(fā)了切削數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，研究和建立難加工材料的高速切削加工數(shù)據(jù)庫，對促進(jìn)難加工材料的研究以及高速切削加工的發(fā)展和應(yīng)用具有重要的意義。

針對我國在高速切削加工領(lǐng)域，尤其是難加工材料的高速切削方面起步晚、基礎(chǔ)差、企業(yè)重視不夠等現(xiàn)狀，為適應(yīng)先進(jìn)制造的要求，滿足高速切削加工企業(yè)和技術(shù)人員的需要，開發(fā)出基于網(wǎng)絡(luò)的高速切削數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，旨在提供一套較為系統(tǒng)的、能在高速切削加工過程中智能地提供具有參考價(jià)值的切削用量、所用刀具、切削工藝路徑等的數(shù)據(jù)與資料。

2 難加工材料高速切削數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能

本數(shù)據(jù)庫以網(wǎng)絡(luò)為手段，以數(shù)據(jù)庫為核心，在高速切削生產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)下，集成切削用量推薦值，刀具選擇（包括刀具規(guī)劃、采購、庫存、調(diào)整、刃磨、修理、刀具優(yōu)化和刀具成本控制等內(nèi)容），故障診斷以及工件與刀具材料的牌號、成分、性能與機(jī)床的型號、性能參數(shù)等多方面內(nèi)容，乃至切削實(shí)驗(yàn)的曲線圖形及回歸公式數(shù)學(xué)模型等數(shù)據(jù)，以Web的形式供用戶查詢使用。用戶可根據(jù)不同的加工材料、不同的進(jìn)給量、不同的刀具，只需輸入基本參數(shù)即可獲得相應(yīng)的加工數(shù)據(jù)，可將此數(shù)據(jù)用于自動編程系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)與CAD/CAM技術(shù)結(jié)合，并可通過高速切削動態(tài)仿真，明確加工工藝路徑。

本系統(tǒng)由5大部分組成，目的是提供一個(gè)全面關(guān)于高速切削的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)總體框圖如圖1所示。

（1）切削用量智能選擇系統(tǒng)

高速切削加工切削用量的選擇是制定機(jī)械零件加工工藝中的一個(gè)重要方面，合理地選擇切削用量，對零件的表面質(zhì)量、精度、加工效率影響很大。而影響切削用量的因素繁多，影響因素之間相互交叉，相互制約，因而確定最佳切削用量較為困難［3］。切削用量的正確選擇在實(shí)際加工中很難把握，一般應(yīng)根據(jù)加工性質(zhì)、加工要求、工件材料及刀具的尺寸和材料性能等方面的具體要求，通過查閱切削手冊并結(jié)合豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來確定切削用量。本模塊即針對在傳統(tǒng)加工過程切削用量選擇時(shí)遇到的問題，利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)高速切削用量的智能選擇。

該模塊是系統(tǒng)的主模塊之一，分析整理了工廠40多個(gè)加工實(shí)例，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和切削手冊，各類數(shù)據(jù)的匯總與分類，總結(jié)出最優(yōu)化的高速加工工藝過程。本模塊可以實(shí)現(xiàn)對不同的加工材料、不同的進(jìn)給量、不同的刀具進(jìn)行選擇，自動給出高速切削優(yōu)化工藝和切削用量參數(shù)，并提供最優(yōu)的切削工藝路徑。

（2）刀具管理模塊

缺乏刀具或刀具庫存不在控制之中是當(dāng)今刀具管理上的一個(gè)重大問題，操作人員需要花費(fèi)很多時(shí)間在查找刀具上，尤其在高速切削迅速發(fā)展的今天，高速切削刀具庫管理并沒有得到相應(yīng)的發(fā)展，良好的基于高速切削的刀具管理模塊可以減少初期投資、工作人員、庫存資金以及采購管理成本。

本模塊也是系統(tǒng)的主要模塊之一，可對刀具在加工狀態(tài)中的具體信息加以跟蹤和采集，并對采集到的信息進(jìn)行及時(shí)有效的處理。用戶可直接管理加工車間、調(diào)刀室、刀具庫房、維修等刀具流通部門的所有刀具的品種、規(guī)格、數(shù)量等詳細(xì)信息，可實(shí)現(xiàn)在線刀具選擇，可對刀具進(jìn)行全壽命周期的追蹤和管理，可生成刀具成本評估清單和刀具利用情況統(tǒng)計(jì)表，優(yōu)化刀具使用成本及使用頻率，降低制造成本。

（3）切削實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與圖紙庫模塊

本模塊包括兩個(gè)子模塊:切削數(shù)據(jù)管理子模塊與圖紙庫子模塊。

切削數(shù)據(jù)管理子模塊主要匯集了刀具有效直徑、刀具有效直徑與輪廓斜角的關(guān)系、球頭銑刀的有效線速度、刀具的主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)公式，與切削用量選擇模塊作連接，實(shí)現(xiàn)切削用量選擇的智能化。

圖紙庫子模塊主要包括刀具圖紙庫與用戶圖紙庫兩部分。在刀具圖紙庫中匯總了常用的50多種可用于高速切削的不同類型的刀具，包括刀具的材料、牌號、加工條件、可加工工件等信息，并可根據(jù)查詢條件，自動給出裝配圖以及組成刀具的各部分的標(biāo)準(zhǔn)件圖與部分非標(biāo)準(zhǔn)件圖，提供二維與三維圖紙信息。用戶圖紙庫部分儲存用戶產(chǎn)品的所有二維及三維圖紙，如分別用SolidWorks與AutoCAD打開，并可進(jìn)行參數(shù)驅(qū)動。應(yīng)用此模塊，可以實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下及時(shí)靈活地響應(yīng)客戶需求變化的制造模式，實(shí)現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)的信息交流、資源共享以及協(xié)調(diào)與合作。

（4）動態(tài)仿真模塊

本模塊可提供應(yīng)用本系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)（如切削用量的選擇、刀具與機(jī)床的選擇等）進(jìn)行動態(tài)模擬，連接到仿真軟件上進(jìn)行仿真，校驗(yàn)所選數(shù)據(jù)的有效性。該模塊還收集與整理了數(shù)十個(gè)實(shí)驗(yàn)加工實(shí)例，提供了典型加工動畫及視頻，為有效地說明難加工材料高速切削的優(yōu)越性提供最直觀的效果。

（5）故障診斷模塊

該模塊可實(shí)現(xiàn)在生產(chǎn)過程中對刀具、機(jī)床及各種加工設(shè)備在線監(jiān)控，可快速定位故障，并給出解決方法，可對由于刀具的磨損、崩裂或其他異常情況而發(fā)生的換刀請求迅速做出反應(yīng)。該模塊匯總了十余臺常用的數(shù)控機(jī)床的數(shù)百種常見故障以及相應(yīng)的排故方法，只要輸入故障的代碼或現(xiàn)象就可進(jìn)行查詢，快速定位故障點(diǎn)并修復(fù)。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 建立數(shù)據(jù)庫

基于網(wǎng)絡(luò)的難加工材料高速切削數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的內(nèi)容主要包括切削用量推薦值，同時(shí)還將工件與刀具材料的牌號、成分、性能與機(jī)床的型號、性能參數(shù)等，乃至切削實(shí)驗(yàn)的曲線圖形及回歸公式（如Taylor公式、切削力經(jīng)驗(yàn)公式等）、數(shù)學(xué)模型等均儲存在數(shù)據(jù)庫中，用戶可根據(jù)需要，只需輸入基本參數(shù)即可獲得相應(yīng)的加工數(shù)據(jù)，可將此數(shù)據(jù)用于自動編程系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)與CAD/CAM技術(shù)結(jié)合，對于提高工廠生產(chǎn)率起到很大的作用。

本系統(tǒng)選用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)MS Access作為管理數(shù)據(jù)庫，將來若升級改版此系統(tǒng)，可以將Access直接導(dǎo)入SQLserver中，對本系統(tǒng)進(jìn)行二次開發(fā)。

新建一個(gè)名為“HSM”的數(shù)據(jù)庫，包括鈦合金加工數(shù)據(jù)表、高溫合金加工數(shù)據(jù)表、不銹鋼加工數(shù)據(jù)表、高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼加工數(shù)據(jù)表、復(fù)合材料加工數(shù)據(jù)表、硬脆材料加工數(shù)據(jù)表、刀具壽命數(shù)據(jù)表、故障診斷數(shù)據(jù)表、刀具圖紙數(shù)據(jù)表、刀具選擇數(shù)據(jù)表等，各數(shù)據(jù)表通過關(guān)鍵字相聯(lián)系。以刀具選擇數(shù)據(jù)表為例進(jìn)行說明，該數(shù)據(jù)表包含以下字段:工件材料、刀具材料分組編號、每齒進(jìn)給量、銑槽、螺旋/斜坡銑/銑平面、側(cè)銑粗加工、側(cè)銑精加工、仿形銑削粗加工、仿形銑削精加工。為了使各個(gè)表之間不產(chǎn)生冗余，把每個(gè)表里可能出現(xiàn)的數(shù)據(jù)字段寫在一個(gè)表里，表與表之間通過關(guān)鍵字相連。這樣，出現(xiàn)冗余的情況就減少，表與表之間的聯(lián)系也更加緊密。建立動態(tài)網(wǎng)頁，連接數(shù)據(jù)庫。查詢網(wǎng)頁中的表單有一個(gè)變量名，查詢網(wǎng)頁和顯示網(wǎng)頁通過表單傳遞的變量名聯(lián)系起來，顯示網(wǎng)頁通過過濾條件——表單變量，顯示最后結(jié)果。

3.2 建立動態(tài)查詢網(wǎng)頁

本系統(tǒng)選取WindowsXP作為高速切削查詢系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，采用Windows XP內(nèi)部集成的Internet Information Server作為Web服務(wù)器，以Dreamweaver為開發(fā)工具。在靜態(tài)網(wǎng)頁設(shè)計(jì)方面，采用網(wǎng)頁的形式，只要打開瀏覽器，輸入相應(yīng)的地址就可以查詢相應(yīng)內(nèi)容了。

在本系統(tǒng)中有大量的數(shù)據(jù)，仍選取山高刀具的高速切削參數(shù)部分進(jìn)行動態(tài)網(wǎng)頁設(shè)計(jì)。建立動態(tài)查詢網(wǎng)頁inquire.asp，與“根據(jù)每齒進(jìn)給量確定高速銑削參數(shù)”鏈接。建立動態(tài)顯示網(wǎng)頁show.asp，該網(wǎng)頁的功能是在inquire.asp發(fā)出查詢命令后執(zhí)行顯示的網(wǎng)頁。查詢網(wǎng)頁中的表單有一個(gè)變量名，查詢網(wǎng)頁和顯示網(wǎng)頁通過表單傳遞的變量名聯(lián)系起來，顯示網(wǎng)頁通過過濾條件——表單變量，顯示最后結(jié)果。

4 基于Web高速切削數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

由于該數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)內(nèi)容較多，不能一一介紹，這里僅對系統(tǒng)的核心模塊——高速切削加工切削用量的選擇模塊進(jìn)行分析。

利用本系統(tǒng)，用戶可以實(shí)現(xiàn)根據(jù)不同材料、每齒進(jìn)給量來確定高速切削的參數(shù)等，如圖2所示;可以根據(jù)用戶要求對刀柄、刀桿、刀頭、夾頭以及刀具材料等的選擇，并進(jìn)行自動裝配，如圖3所示;可以分別以Auto-CAD或SolidWorks打開圖紙庫系統(tǒng)，進(jìn)行產(chǎn)品及刀具的二維圖與三維圖的查看與修改，如圖4所示。

5 結(jié)語

本系統(tǒng)以Web為手段，結(jié)合數(shù)據(jù)庫技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)高速切削信息的精確檢索和管理為目標(biāo)，建立了基于網(wǎng)絡(luò)的難加工材料高速切數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，使用本系統(tǒng)可為難加工材料高速切削生產(chǎn)全生命周期中對于切削用量的選擇、刀具的管理、圖紙庫的調(diào)用以及故障診斷等方面提供有益的參考和指導(dǎo)作用。

系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中性能穩(wěn)定，平臺先進(jìn)，維護(hù)方便，操作簡單，打印方便，運(yùn)行穩(wěn)定，安全可靠。

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