劉麗娟 武文革

（中北大學(xué)機械工程與自動化學(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(dǎo)熱性、化學(xué)性質(zhì)活潑、有微觀的硬質(zhì)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(fù)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(yīng)用于航空、航天、海洋開發(fā)、核電及化學(xué)工業(yè)等各個領(lǐng)域中。難加工材料使用傳統(tǒng)方法進行切削會導(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(shù)是21世紀重要的先進制造技術(shù)之一，是實現(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(shù)據(jù)是衡量切削技術(shù)水平高低的一個基本量值。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)，以及在實際生產(chǎn)中的切削試驗或?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。隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，人們將計算機技術(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、性能與機床的型號、性能參數(shù)等多方面內(nèi)容，乃至切削實驗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(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)合豐富的實踐經(jīng)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(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多個加工實例，并結(jié)合實驗數(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。本模塊可以實現(xiàn)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(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(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行及時有效的處理。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)量等詳細信息，可實現(xiàn)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(shù)據(jù)與圖紙庫模塊

本模塊包括兩個子模塊: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、進給量等實驗數(shù)據(jù)與經(jīng)驗公式，與切削用量選擇模塊作連接，實現(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，并可進行參數(shù)驅(qū)動。應(yīng)用此模塊，可以實現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下及時靈活地響應(yīng)客戶需求變化的制造模式，實現(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(shù)據(jù)的有效性。該模塊還收集與整理了數(shù)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(xiàn)在生產(chǎn)過程中對刀具、機床及各種加工設(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)象就可進行查詢，快速定位故障點并修復(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(shù)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(jīng)驗公式等）、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)進行二次開發(fā)。

新建一個名為“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、高強度鋼和超高強度鋼加工數(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。為了使各個表之間不產(chǎn)生冗余，把每個表里可能出現(xiàn)的數(shù)據(jù)字段寫在一個表里，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)部分進行動態(tài)網(wǎng)頁設(shè)計。建立動態(tài)查詢網(wǎng)頁inquire.asp，與“根據(jù)每齒進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行分析。

利用本系統(tǒng)，用戶可以實現(xiàn)根據(jù)不同材料、每齒進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(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)在實際應(yīng)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。

［1］Ribeiro M V，Coppini N L.An applied database system for the optimization of cutting conditions and tool selection［J］.Journal of Materials Processing Technology，2002（92/93）:371 －374.

［2］張伯霖，范夢吾，李志英.模具制造中的高速加工技術(shù)［J］.制造技術(shù)與機床，2003（5）:8－11.

［3］王亮德，趙軍，郭勝光.耳機模具的高速數(shù)控加工［J］.現(xiàn)代制造工程，2004（9）:18 －19.

［4］尹洋.網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中金屬切削數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的開發(fā)［J］.工具技術(shù)，2002.

［5］Mursec B，Cus F.Integral model of selection of optimal cutting conditions from different database of tool makers［J］.Journal of Materials Processing Technology，2003（133）:158 －165.