基于網絡的難加工材料高速切削數據庫系統(tǒng)的研究與開發(fā)*

劉麗娟 武文革

（中北大學機械工程與自動化學院，山西太原 030051）

1 問題的提出

難加工材料是指難以進行切削加工的材料，即切削加工性差的材料，它們具有高硬度和高強度、高塑性和高韌性、低塑性和高脆性、低導熱性、化學性質活潑、有微觀的硬質點或硬夾雜物等特性。常用的難加工材料有很多，如鈦合金、高溫合金、不銹鋼、復合材料、高強度鋼與越高強度鋼、硬脆性材料等，這些難加工材料廣泛應用于航空、航天、海洋開發(fā)、核電及化學工業(yè)等各個領域中。難加工材料使用傳統(tǒng)方法進行切削會導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，有時還將使已加工表面質量惡化，切屑難以控制，加工效率和加工質量降低。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，提高加工質量。

以高切削速度、高進給速度、大進給量、小切削深度和小切削厚度為基本特征的高速切削技術是21世紀重要的先進制造技術之一，是實現高速、高效和高精度加工的關鍵因素之一，被廣泛應用于航空航天、汽車、模具、能源、軌道交通等眾多領域。我國高速、高效切削加工工藝及裝備發(fā)展和應用起步較晚，與國外差距較大，從整個機械制造業(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。

切削加工數據是衡量切削技術水平高低的一個基本量值。目前在高速切削領域中，尤其是難加工材料切削加工數據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據，以及在實際生產中的切削試驗或實踐資料來確定。由于國內許多刀具廠家的刀具樣本沒有系統(tǒng)提供有關難加工材料的切削數據，國外刀具廠家刀具樣本提供的一些數據也不完善，而且各廠家對相同的刀具材料提供的數據也不相同，難于選用。隨著計算機技術的飛速發(fā)展，人們將計算機技術與制造技術相結合開發(fā)了切削數據庫系統(tǒng)，研究和建立難加工材料的高速切削加工數據庫，對促進難加工材料的研究以及高速切削加工的發(fā)展和應用具有重要的意義。

針對我國在高速切削加工領域，尤其是難加工材料的高速切削方面起步晚、基礎差、企業(yè)重視不夠等現狀，為適應先進制造的要求，滿足高速切削加工企業(yè)和技術人員的需要，開發(fā)出基于網絡的高速切削數據庫系統(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值的切削用量、所用刀具、切削工藝路徑等的數據與資料。

2 難加工材料高速切削數據庫系統(tǒng)的結構與功能

本數據庫以網絡為手段，以數據庫為核心，在高速切削生產狀態(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、調整、刃磨、修理、刀具優(yōu)化和刀具成本控制等內容），故障診斷以及工件與刀具材料的牌號、成分、性能與機床的型號、性能參數等多方面內容，乃至切削實驗的曲線圖形及回歸公式數學模型等數據，以Web的形式供用戶查詢使用。用戶可根據不同的加工材料、不同的進給量、不同的刀具，只需輸入基本參數即可獲得相應的加工數據，可將此數據用于自動編程系統(tǒng)中，實現與CAD/CAM技術結合，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，目的是提供一個全面關于高速切削的數據庫系統(tǒng)，結構總體框圖如圖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械零件加工工藝中的一個重要方面，合理地選擇切削用量，對零件的表面質量、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際加工中很難把握，一般應根據加工性質、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合豐富的實踐經驗來確定切削用量。本模塊即針對在傳統(tǒng)加工過程切削用量選擇時遇到的問題，利用計算機實現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多個加工實例，并結合實驗數據和切削手冊，各類數據的匯總與分類，總結出最優(yōu)化的高速加工工藝過程。本模塊可以實現對不同的加工材料、不同的進給量、不同的刀具進行選擇，自動給出高速切削優(yōu)化工藝和切削用量參數，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今刀具管理上的一個重大問題，操作人員需要花費很多時間在查找刀具上，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行及時有效的處理。用戶可直接管理加工車間、調刀室、刀具庫房、維修等刀具流通部門的所有刀具的品種、規(guī)格、數量等詳細信息，可實現在線刀具選擇，可對刀具進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）切削實驗數據與圖紙庫模塊

本模塊包括兩個子模塊:切削數據管理子模塊與圖紙庫子模塊。

切削數據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系、球頭銑刀的有效線速度、刀具的主軸轉速、進給量等實驗數據與經驗公式，與切削用量選擇模塊作連接，實現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，并可根據查詢條件，自動給出裝配圖以及組成刀具的各部分的標準件圖與部分非標準件圖，提供二維與三維圖紙信息。用戶圖紙庫部分儲存用戶產品的所有二維及三維圖紙，如分別用SolidWorks與AutoCAD打開，并可進行參數驅動。應用此模塊，可以實現在網絡環(huán)境下及時靈活地響應客戶需求變化的制造模式，實現基于網絡的信息交流、資源共享以及協調與合作。

（4）動態(tài)仿真模塊

本模塊可提供應用本系統(tǒng)產生的數據（如切削用量的選擇、刀具與機床的選擇等）進行動態(tài)模擬，連接到仿真軟件上進行仿真，校驗所選數據的有效性。該模塊還收集與整理了數十個實驗加工實例，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

該模塊可實現在生產過程中對刀具、機床及各種加工設備在線監(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。該模塊匯總了十余臺常用的數控機床的數百種常見故障以及相應的排故方法，只要輸入故障的代碼或現象就可進行查詢，快速定位故障點并修復。

3 關鍵技術

3.1 建立數據庫

基于網絡的難加工材料高速切削數據庫系統(tǒng)的內容主要包括切削用量推薦值，同時還將工件與刀具材料的牌號、成分、性能與機床的型號、性能參數等，乃至切削實驗的曲線圖形及回歸公式（如Taylor公式、切削力經驗公式等）、數學模型等均儲存在數據庫中，用戶可根據需要，只需輸入基本參數即可獲得相應的加工數據，可將此數據用于自動編程系統(tǒng)中，實現與CAD/CAM技術結合，對于提高工廠生產率起到很大的作用。

本系統(tǒng)選用關系型數據庫管理系統(tǒng)MS Access作為管理數據庫，將來若升級改版此系統(tǒng)，可以將Access直接導入SQLserver中，對本系統(tǒng)進行二次開發(fā)。

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

3.2 建立動態(tài)查詢網頁

本系統(tǒng)選取WindowsXP作為高速切削查詢系統(tǒng)的網絡操作系統(tǒng)，采用Windows XP內部集成的Internet Information Server作為Web服務器，以Dreamweaver為開發(fā)工具。在靜態(tài)網頁設計方面，采用網頁的形式，只要打開瀏覽器，輸入相應的地址就可以查詢相應內容了。

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

4 基于Web高速切削數據庫系統(tǒng)的實現

由于該數據庫系統(tǒng)內容較多，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行分析。

利用本系統(tǒng)，用戶可以實現根據不同材料、每齒進給量來確定高速切削的參數等，如圖2所示;可以根據用戶要求對刀柄、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)，進行產品及刀具的二維圖與三維圖的查看與修改，如圖4所示。

5 結語

本系統(tǒng)以Web為手段，結合數據庫技術，以實現高速切削信息的精確檢索和管理為目標，建立了基于網絡的難加工材料高速切數據庫系統(tǒng)，使用本系統(tǒng)可為難加工材料高速切削生產全生命周期中對于切削用量的選擇、刀具的管理、圖紙庫的調用以及故障診斷等方面提供有益的參考和指導作用。

系統(tǒng)在實際應用中性能穩(wěn)定，平臺先進，維護方便，操作簡單，打印方便，運行穩(wěn)定，安全可靠。

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